EL ÁTOMO: UNA HISTORIA SIN FINAL

Necesario para explicar el comportamiento de la materia, el estudio de esta diminuta partícula ha sufrido muchos avatares en la investigación científica… y su historia aún continúa.

La palabra átomo elegida para denominar a las pequeñas unidades de la materia etimológicamente significa sin partes, aunque con el correr del tiempo se comprobaría que estaba conformada a su vez por diminutas partículas.

El estudio de los diminutos pliegues de la materia, tal como hoy lo considera la ciencia actual, comenzó al inicio del siglo XIX, cuando John Dalton argumentó que en la materia los diversos compuestos químicos se debían a las agrupaciones de varios átomos diferentes, pertenecientes a elementos distintos que intervenían en las mismas proporciones, llamando moléculas a dichas agrupaciones de átomos. Eran por lo tanto las combinaciones de diferentes átomos las que daban lugar a la gran variedad de sustancias o materiales, tal como dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno conforman una molécula estable de agua.

El átomo es, a partir de aquí, algo necesario para explicar el comportamiento de la materia, pero aún desconocido, del que tan sólo se disponía de modelos teóricos que habrían de ser contrastados con la realidad.

EL PRIMER MODELO

El modelo del átomo propuesto por J.J. Thomson en 1984 planteaba un equilibrio de cargas eléctricas contrarias, pues lo consideraba compuesto por un núcleo cargado positivamente en que se hallan inmersos los electrones de carga negativa, como si estuvieran entremezclados en su masa.

En cambio, el primer modelo basado en ciertas comprobaciones experimentales fue propuesto en 1911 por Ernest Rutherford. Experimentando con los impactos provocados por la emisión de partículas radioactivas contra una delgada lámina de oro comprobó que unas pocas veces éstas lograban pasar a través de la misma, y en cambio, la mayoría de las veces rebotaban con ángulos variados. Ello demostró que estos rechazos -similares a los producidos por el choque de las bolas de billar-, debían ser causados por fuertes repulsiones eléctricas pero también por una concentración de masa importante. Quedó demostrada entonces la existencia en el átomo de una región central densa a la que se denominó núcleo, cargada positivamente y apiñada en un espacio inferior a una billonésima parte de centímetro (10-12 cm).

Rutherford supuso además la existencia de unas partículas cargadas negativamente, llamadas electrones, que girarían formando órbitas en derredor del núcleo, a modo de un diminuto sistema planetario, dando lugar así a un modelo eléctricamente estable y compensado, con un radio que en la mayoría de los átomos no sobrepasaría la cienmillonésima parte de un centímetro (10-8 cm).

Aunque la materia daba la apariencia de densa continuidad, se demostró que está más próxima al espacio vacío, pues tiene su masa apenas concentrada en ciertos puntos minúsculos y aislados. No obstante lo dicho, no se demostró la existencia cierta de los átomos hasta 1905, fecha en que A. Einstein realizaba sus estudios sobre el llamado movimiento browniano. Fue entonces cuando, observando el movimiento de ciertas partículas de polen disueltas en agua, comprendió que las trayectorias irregulares que sufrían se debían a sus choques con las invisibles moléculas de agua, llegando a una expresión matemática que reflejaba fielmente su aparente comportamiento caótico. Pero hasta 1919 no se pudo confirmar la existencia en el núcleo de los átomos de unas partículas de cierta masa y cargadas positivamente, a las que Rutherford llamó protones, y no fue sino en 1932 cuando James Chadwick comprobó la existencia en el núcleo de otras partículas de masa similar al protón, pero sin carga, a las que llamó neutrones.

También se dedujo de modo experimental que los electrones debían estar bastante alejados del núcleo y tener una masa del orden de una milésima del protón, pues se pudo constatar que el efecto de su carga electrostática era mayor que el de su densidad.

Cualquier tipo de átomo quedaba demostrado que constaba de dichas partículas fundamentales: un número semejante de neutrones (sin carga) y protones (cargados positivamente) concentrados en el núcleo, y los electrones (con carga negativa) orbitando alrededor del núcleo y sometidos a la atracción electrostática de los protones.

Se ordenaron entonces los diferentes tipos de átomos de diversas sustancias buscando reconocer sus componentes y encajarlos en una tabla periódica. El átomo más simple conocido se comprobó que era el Hidrógeno, cuyo núcleo alberga a un único protón alrededor del cual orbita un sólo electrón. Se descubrieron además otras combinaciones estables de protones y electrones que permitieron reconocer los diversos elementos de dicha tabla, junto a otros elementos inestables que en ocasiones tenían efímera vida, pues se desintegraban lentamente al emitir partículas radioactivas.

Un átomo radioactivo, como por ejemplo el radio o el uranio, independientemente de que lo fuera por una radioactividad natural o por ser excitado con una energía externa, se comprobó que emitía hacia el exterior, en pasos sucesivos, ciertas partículas (llamadas a, b y g) hasta convertirse en un átomo más estable que precisara de menor energía para mantener su estado de equilibrio.

MODELO ORBITAL

No obstante, para explicar la aparente contradicción entre la estabilidad de ciertos átomos que a la par emitían algunas radiaciones, el danés Bohr, en 1912, había aportado un nuevo matiz al modelo de Rutherford, considerando que los electrones podían hallarse en varios niveles permitidos situados a distancias variables con respecto al núcleo. Finalmente se comprobó que estas distancias concretas que daban lugar a órbitas estables eran una característica de cada elemento químico, puesto que cada elemento tiene un número de protones y electrones concreto, y un equilibrio de fuerzas atractivas o repulsivas entre ellos, lo cual da lugar a una disposición determinada de los electrones en sus capas, que conforman su modelo particular.

Según dicho modelo de Bohr, los electrones más próximos al núcleo estarían entonces más sometidos a la atracción del mismo, siendo los de las últimas capas los más libres. Entonces, los electrones podrían saltar de un nivel inferior a otro superior siempre que se les aporte la energía necesaria para hacerlo, puesto que debe vencerse la atracción que sobre ellos ejercen los protones del núcleo; en cambio, cuando pasan de una capa superior a otra inferior emitirán una cantidad similar de energía; por ello, un átomo puede emitir luz (fotones) y otras radiaciones electromagnéticas, y en cambio en el caso anterior absorberá luz.

Dado que no hay dos átomos que tengan el mismo modelo orbital que describiera Bohr, la emisión de radiaciones se da para cada uno de ellos en unas cantidades de energía y en un color que son su característica, y que por tanto son como su huella dactilar, que puede captarse por un instrumento llamado espectroscopio. A modo de ejemplo podemos decir que al observar la luz emitida por las estrellas se pueden detectar los átomos que la componen, o mejor dicho, que la componían hace millones de años-luz cuando surgió de ella.

Sommerfeld, en 1915, aportó la visión de unas órbitas electrónicas que no tenían por qué ser tan sólo circulares, pudiendo ser también elípticas, e introdujo la idea de que los electrones además de girar alrededor del núcleo giraban sobre su propio eje, en un movimiento llamado de espín. Según Pauli, cada nivel permitido del átomo quedaría completado con un número concreto de electrones que lo hacen estable (por ejemplo, dos en la primera capa). Cuando un átomo tiene las capas externas no completadas puede reaccionar con otro átomo para crear un nuevo compuesto químico, cediendo o compartiendo mutuamente entre ambos átomos algunos electrones de la última capa, llamados electrones de valencia, dando lugar con sus enlaces a las moléculas.

MODELO ONDULATORIO

Con las nuevas ideas sobre el fenómeno onda-partícula expresadas por De Broglie, que asociaban a toda partícula una onda, y el desarrollo de la física cuántica, en 1925, los físicos alemanes Heisenberg y Schrödinger, y posteriormente Dirac en 1928, asentaron los principios de la concepción ondulatoria del átomo.

Hasta aquí se consideró a los electrones como meros puntos cargados eléctricamente, pero según esta nueva concepción, del mismo modo que se demostró para la luz, el electrón no puede ser considerado como una mera partícula, sino que además se comporta como una onda (similar a las ondas acústicas o la ondulación de la superficie de un lago), cuya vibración, frecuencia y amplitud puede ser definida.

Tal vez los electrones sean las dos cosas a la vez, onda y partícula, y lo único que ocurre sea que según las circunstancias se manifiesta mejor una propiedad que la otra. Unas veces tendrán un aspecto denso en nuestro mundo físico, y tal vez, en otro momento sean una mera radiación en un mundo energético.

Con el desarrollo de la física cuántica, Heisenberg introdujo una nueva paradoja en la ciencia. Según su célebre principio de incertidumbre no se puede observar una partícula sin alterarla. Al intentar medir el lugar exacto donde se halla una partícula alteramos su velocidad, y viceversa. No es que no se puedan realizar dichas mediciones, sino que no se puede realizar la medición de ambas cosas simultáneamente, y por ello llegar a medir con exactitud uno de los parámetros equivaldría a tener una gran indeterminación en el otro, salvo que admitiéramos grados de error importantes al medir ambas magnitudes a la vez. Por ello, es como si se nos cayera esta partícula por la rendija de un sofá, cuanto más pretendemos acercarnos a ella y atraparla más la alejamos y la alteramos, pues hacemos más grande la abertura dejándola escapar.

Schrödinger propuso entonces un modelo probabilístico para el átomo, puesto que si la posición exacta de una partícula no se puede fijar exactamente se puede saber de ella en términos de probabilidad. En el caso de un electrón en órbita alrededor del núcleo atómico, hay una probabilidad mayor de que se halle en un determinado lugar y otra menor de hallarlo en otro lugar de su órbita. Podemos saber dónde esté probablemente, pero no dónde está exactamente esa partícula.

INCERTIDUMBRES Y PROBABILIDADES

Así, el electrón no se puede decir que sea una mera partícula que está situada en un único lugar concreto, sino que podría encontrarse con mayor probabilidad en ciertas capas simétricas, llamadas orbitales, que pueden adoptar formas circulares, elípticas, lenticulares, toroidales, etcétera. En términos ondulatorios se nos dirá que el electrón tiene mayor probabilidad de hallarse en ese lugar geométrico que es como una nube densa, y tener también su carga eléctrica concentrada allí, aunque podría también estar en cualquier otro lugar de la atmósfera atómica. Tenemos por lo tanto ciertos límites que conviene asumir, puesto que más que de certezas, disponemos de incertidumbre y probabilidades.

Pero no eran éstas las únicas partículas que se podían encontrar en las diminutas escalas de la materia. Dirac había predicho que matemáticamente era necesario que toda partícula tuviera también su antipartícula para mantener el equilibrio de cargas en la materia. Así se pensó que debería existir una partícula de igual masa a la del electrón pero de carga contraria, denominando a dicho anti-electrón con el nombre de positrón, la cual fue finalmente descubierta en 1932 en los rayos cósmicos. Con el paso del tiempo, en los primeros años del siglo XXI, se han producido unos 50.000 átomos de antihidrógeno, que aunque efímeros han demostrado la realidad de la antimateria. Actualmente se considera que toda partícula tiene su antipartícula, salvo el fotón, que es al mismo tiempo su propia antipartícula.

En el núcleo las partículas de cargas iguales tienden a repelerse, por ello la fuerza que los mantiene unidos en un espacio tan reducido debe ser excepcionalmente intensa, tal como había predicho Yukawa en 1935. Actualmente se conoce que dicha fuerza fuerte, inconcebiblemente, llega a ser millones de veces más fuerte que la gravedad, aunque apenas actúa en el ámbito del núcleo. Pero dicha fuerza entre dos partículas no se trasmite de modo tradicional sino que lo hace también mediante la acción de otra partícula del núcleo llamada mesón.

LOS QUARKS

El tiempo fue trancurriendo y se comprobó la divisibilidad del átomo. El núcleo desveló sus secretos, y tras los protones y los neutrones, se descubrieron otras partículas como los fermiones, los bosones, los hadrones, los piones, los muones, los neutrinos, etc. El descubrimiento gradual de contenedores de partículas en el último cuarto del siglo XX, la mayoría de las cuales se desintegra dando lugar a otras, lleva a pensar que hay una estructura interna en ellas, considerándose que se componen de otras partículas constituyentes llamadas quarks, siendo considerados como los ladrillos de la materia, y actualmente como los causantes finales de la fuerza fuerte.

En la actualidad se han llegado a fotografiar algunos átomos mediante microscopios electrónicos, pasando a ser una realidad constatada. La Ciencia ha crecido indeciblemente llegando a rozar las sienes de la materia y también de la belleza… Un nuevo umbral nos llevará a un futuro brillante, pues el universo es como una vasija inmensa que nos da cobijo, aunque cuanto más atisbamos sus contornos más nos preguntamos por las manos del alfarero.

Necesario para explicar el comportamiento de la materia, el estudio de esta diminuta partícula ha sufrido muchos avatares en la investigación científica… y su historia aún continúa.

CIEN AÑOS DE REVOLUCIÓN CUÁNTICA

1900- Planck explica la radiación del cuerpo negro (la emisión de energía de un cuerpo material se produce a saltos).

1905- Einstein predice el aparente comportamiento caótico de ciertas partículas.

1911- Rutherford propone el primer modelo atómico experimentando en los impactos de partículas radioactivas.

1913- Teoría de los espectros atómicos de Bohr (concibió la hipótesis de una cuantificación de las órbitas en la estructura del átomo).

1915- Sommerfeld aporta la visión de órbitas electrónicas elípticas.

1925- Principio de exclusión de Pauli (dos electrones de un mismo átomo no pueden tener un conjunto exactamente igual de números cuánticos).

1926- Ecuación de Schrödinger (concepción ondulatoria del átomo).

1927- Principio de incertidumbre de Heisenberg (no se puede observar una partícula sin alterarla).

1928- Dirac plantea la ecuación del electrón.

1932- Descubrimiento del antielectrón (toda partícula tiene su antipartícula, salvo el fotón, que es al mismo tiempo su propia antipartícula).

1935- Schrödinger plantea la paradoja del gato (Esfinge nr. 40 pág. 24).

1938- Descubrimiento de la superfluidez.

1945- Es lanzada la bomba atómica.

1947- Se inventa el primer transistor desarrollado por el norteamericano W. Shockley.

1952- Interpretación de la onda piloto de Bohm.

1957- Interpretación del estado relativo o de los muchos universos paralelos.

1960- Se inventa el láser.

1973- Aparece el escáner de resonancia magnética.

1975- Entran en juego las partículas constitutivas del núcleo atómico, los quarks, denominados los ladrillos de la materia.

QUÉ ES QUÉ

-El núcleo atómico es la parte central de un átomo, donde se concentra la práctica totalidad de su masa. Está formado por protones y neutrones por medio de la interacción nuclear fuerte. La cantidad de protones determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de protones pero distinto número de neutrones se denominan isótopos.

-La corteza de los átomos es su parte más externa y consiste en una nube de electrones. En el caso de átomos en estado neutro el número de electrones es idéntico al de protones, que es lo que caracteriza a cada elemento químico. El número de protones de un determinado átomo se denomina número atómico y determina su posición en la tabla periódica de los elementos. 

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