El particular mundo de los átomos

Modelos atómicos galaxia 2

Por Tania M. T.

En una época en la que todavía se creía que el viento era el soplo de los Dioses1, el filósofo Empédocles infirió por primera vez que el aire debía estar constituido por un material invisible para nuestros ojos.  Por aquel entonces vivía también una de las personas con mayor capacidad de intuición de la historia; era Demócrito de Abdera, quien como otras tantas veces propuso acertadamente que la materia estaba constituida por partículas indivisibles, a las que denominó átomos.

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Modelo atómico de Dalton y Demócrito. Por Tania M. T.

Con la llegada de la edad media hubo que esperar varios cientos de años hasta que, en el Renacimiento, surgieran nuevos seguidores de esta idea, como fueron Giordano Bruno, Galileo o el mismísimo Newton. De todos ellos el más relevante fue Dalton, que en el siglo XIX la abordó y afianzó desde una perspectiva más científica y menos especulativa, al tratar de otorgar valores de masa a estos átomos por medio de la experimentación. No obstante, la profunda estructura atómica no empezaría a contemplarse hasta finales de este siglo.

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Modelo atómico de J.J. Thomson. Por Tania M.T.

En 1897, tras someter gases a altas diferencias de potencial eléctrico y bajas presiones en un tubo de cristal a modo de “mini-acelerador de partículas”, J. J. Thomson observó varios fenómenos que indicaban la existencia de pequeñas partículas cargadas negativamente. Acababa de descubrir los electrones y tras ello propuso un sencillo modelo atómico en el que sugería que los electrones (negativos) estaban incrustados en una masa (positiva), de forma similar a como se encuentran las pepitas de chocolate en una magdalena.

Experimento de Thomson.

Experimento de Thomson. Los protones del gas sometido a alto voltaje en la cámara de la izquierda se mueven hacia el polo negativo, mientras que los electrones se mueven hacia el polo positivo, desde donde continúan como un haz que siempre se desvía hacia una placa metálica positiva en el lateral del tubo, lo que sugiere que presentan carga negativa. Además, cuando se interponían en el camino unas aspas se apreciaba que estas giraban, lo que indicaba que se trataba de partículas con masa y no de radiación. Fuente: Principles of General Chemistry, modificado.

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Modelo atómico de Rutherford. Por Tania M.T.

 

Solamente unos años después, Ernst Rutherford y dos de sus alumnos descubrieron que este modelo no se sostenía. Esta deducción se basaba en un experimento ya clásico, en el que se bombardeaban partículas radiactivas contra una lámina de oro de tan sólo unas decenas de átomos de espesor. Si el modelo de Thomson era correcto, cabía esperar que todas las partículas atravesaran la lámina sin sufrir apenas desviaciones debido a la neutralidad de las mismas (la carga positiva y la carga negativa del átomo estarían contrarrestadas). Aunque efectivamente comprobaron que la mayoría de las miles de partículas atravesaban la lámina sin sufrir desviaciones, también observaron que unas pocas se desviaban un cierto ángulo e incluso otras salían literalmente rebotadas hacia atrás. Para explicarlo, Rutherford propuso un modelo en el que los electrones orbitaban alrededor de un núcleo muy pequeño y pesado de partículas positivas a las que llamó protones, de forma similar a como hacen los planetas alrededor del Sol. Además, dado que la suma de las masas de los electrones y los protones no igualaba a la masa total del átomo, el propio Rutherford predijo la existencia de un tercer componente de los átomos con masa pero sin carga, al que denominó neutrón. Tan sólo unos años después, en el 1932, James Chadwick detectaría esa pieza que faltaba en el puzzle.

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Experimento de Rutherford. El haz de partículas parte de una fuente radiactiva presente en un contenedor de plomo con una pequeña abertura en dirección a la capa de oro. Las partículas alfa son núcleos de helio. Fuente: Principles of General Chemistry, modificado.

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Modelo atómico de Nils Bohr. Por Tania M. T.

Aunque el modelo de Rutherford pasó a ser uno de los símbolos de la química y la física, poco a poco fue emergiendo una nueva visión del mundo de lo muy pequeño, cuando de las ideas de científicos como Max Plank o Albert Einstein se fundó lo que hoy conocemos como mecánica cuántica. El primer modelo atómico que se puede adscribir tímidamente a esta nueva escuela es el de Nils Bohr que, aunque explicaba por qué unos elementos absorbían unas radiaciones lumínicas y otros absorbían otras distintas, había muchas propiedades para las que resultaba obsoleto. Bohr consideraba que los electrones, dispuestos en órbitas perfectamente circulares alrededor del núcleo, podían saltar de unas más internas a otras más externas tras ser excitados por una fuente de energía como la luz y viceversa, es decir, también podían pasar de órbitas más externas a otras más internas si cedían energía.

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Modelo atómico moderno. Por Tania M.T.

Por aquel entonces fue cuando Erwin Schrödinger estableció matemáticamente la relación existente entre la energía de un electrón y la posición que este ocupa en el espacio, mientras que Werner Heisenberg propuso su famoso principio de incertidumbre, que sostiene que no podemos conocer al mismo tiempo la velocidad y posición de un electrón al mismo tiempo. Entonces, de estos estudios surgió el concepto de orbital atómico que, por definición, es la región donde es más probable encontrar un electrón oscilando alrededor de un núcleo atómico. De esta manera tan sutil se ligaba para siempre la estadística al mundo de los átomos, que se nos empezaban a mostrar como realidades esquivas al estudio.

Otras ideas importantes que se incorporaron a la naciente mecánica cuántica fueron la dualidad onda-corpúsculo de Louis-Victor de Broglie, que sostiene que los electrones (al igual que los fotones, como en su momento había propuesto Einstein) se comportan como ondas y partículas a la vez, así como el principio de la superposición, de Heisenberg, que afirma que una partícula determinada puede existir en todos sus posibles estados al mismo tiempo.

Parecía que habíamos tocado fondo. Era como si tras la tormenta de nuevas ideas ya se hubiera profundizado todo lo posible en la búsqueda de respuestas sobre los átomos. Sin embargo, en aquella misma época se empezaron a detectar partículas procedentes del espacio que no eran ni electrones, ni protones, ni neutrones. Además, por si fuera poco, cuando a mediados del siglo XX se pusieron en marcha los grandes aceleradores de partículas se avanzó tanto en esta tarea que en los años 60 ya se habían descubierto tantas partículas subatómicas como elementos químicos o tipos de átomos que Mendeleyev había clasificado tan sólo un siglo antes en su tabla periódica.

Algunas de estas partículas subatómicas se conocen como hadrones y se caracterizan por ser compuestas (como los protones y neutrones), es decir, están formadas por partículas todavía más pequeñas e indivisibles, llamadas partículas fundamentales. Hoy en día, y desde la década de los 70, la teoría que explica cuáles son y cómo interaccionan estas partículas fundamentales se engloba dentro del llamado modelo estándar, consistente con la mecánica cuántica. Según este modelo, las partículas fundamentales se clasifican en dos grandes grupos: los fermiones y los bosones. Mientras que los fermiones son las partículas fundamentales que conforman la materia, los bosones son las partículas portadoras de las fuerzas, como la electromagnética (fotón) o la nuclear fuerte (gluón). Dichos fermiones pueden dividirse a su vez en dos grupos: leptones y quarks, de cada uno de los cuales hay seis tipos básicos. Por su parte, aunque se ha propuesto la existencia de también seis tipos de bosones, solamente se han confirmado cinco de ellos, siendo el bosón de Higgs (responsable de dar masa a las partículas de la materia) el último en ser descubierto (2012).

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Modelo estándar de la física de partículas. Todos los fermiones presentan una antipartícula asociada, al igual que ocurre con los bosones W. Por otro lado, los quarks y los gluones pueden presentarse con distinta carga de color, una propiedad relacionada con la interacción fuerte. El resultado es la existencia de más de 60 partículas fundamentales. Fuente: AAAS, modificado.

De Demócrito a Peter Higgs se abre un enorme abanico de científicos que hicieron posible analizar lo aparentemente insondable. En el último siglo hemos conseguido adentrarnos en el mundo de lo más pequeño lo suficiente como para concluir que los átomos indivisibles de Dalton estaban formados en realidad por todo un conjunto de diferentes tipos de partículas subatómicas con propiedades de lo más sorprendentes. Por si fuera poco todo ello, en los últimos años hemos sido capaces no sólo de fotografiar e incluso grabar un cortometraje de átomos sino también de teletransportarlos. A veces creo que no somos verdaderamente conscientes de lo afortunados que somos por vivir en una época como esta, en la que en el mismo minuto podemos viajar con nuestra imaginación entre las estrellas y el particular mundo de los átomos del Universo.

1.Frase escrita por Carl Sagan en su libro “Cosmos”.

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Álex Tuñas Corzón

Un enamorado de la vida en toda su expresión, por eso estudio biología y trato de que la gente vea lo bella y buena que es.

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