• José Antonio Ces

Capítulo 1: El átomo

Actualizado: 27 ene

Hace hoy cuatro años publiqué un libro: "Magia". Es el primero y de momento el único. Toda una experiencia. Después de muchas más ventas de las pretendidas y de más de una reseña inolvidable de sus lectores, he decidido publicar aquí todos sus capítulos. Vamos con el primero.



El átomo


Tengo muy presente que este libro debe comenzar con algo muy sencillo. Ya lo iré complicando cuando considere que estás preparado. Pero ahora mismo no me interesa asustarte. Sólo si consigo que entiendas el capítulo uno querrás leer el dos. Y luego el tres y así sucesivamente. Así que empecemos de manera simple. Arranquemos con lo más sencillo. Con lo básico. Con lo fundamental. Con lo más pequeño que existe. Empecemos hablando del átomo.


Lo normal es que sepas lo que es un átomo. Lo has tenido que estudiar. Aunque no sea del todo cierto, voy a empezar diciéndote que el átomo es la partícula más pequeña que podemos encontrar en la materia. Etimológicamente la palabra átomo proviene de los vocablos griegos “a”, que significa sin, y “tomo”, que significa parte. O sea, "sin partes". La palabra átomo pretende dar a entender algo que no se puede dividir. Indivisible. Ésta es la verdadera idea que se tenía del átomo hasta hace poco más de un siglo. Pero la realidad del átomo no es ésa. Realmente, el átomo es divisible. El átomo se compone de elementos más pequeños. Partículas subatómicas, como su propio nombre indica. Algunas de estas partículas sabemos que existen, y otras, simplemente lo intuimos. De momento. Porque nuestro desconocimiento de lo pequeño es todavía muy elevado, como bien nos recuerda Bill Bryson en su “pequeña” historia de casi todo. Los sentidos humanos tienen límites. Y la tecnología también. Qué le vamos a hacer. Esas limitaciones provocan que sólo alcancemos a conocer una parte del mundo que nos rodea. ¿Te suena el bosón de Higgs? ¿Y los quarks? Ambas son partículas subatómicas que sabemos que existen desde hace muy poco tiempo. Y se intuye que hay algunas otras que todavía no conocemos. No tengo el conocimiento suficiente como para instruirte sobre esta parte de la física. Y, si pudiese hacerlo, seguro que te echaría del libro antes de acabar este primer capítulo. Hay muchos libros, bastante accesibles, que estaré encantado de recomendarte. Sus autores son físicos contrastados. Por ejemplo, el que publicaron Teresa Rodrigo y Alberto Casas, justo después del descubrimiento del bosón de Higgs, me ha parecido una aproximación bastante sencilla a un tema que no lo es en absoluto. O el acercamiento que hacen Sonia Fernández-Vidal y Francesc Miralles en su “Desayuno con Partículas”. Y, aunque está escrito hace más de veinticinco años, me parece maravilloso el enfoque de Leon Lederman y Dick Teresi en su “Partícula Divina”. Todos ellos altamente recomendables.


Yo no iré tan lejos en este libro. Aunque sí necesito hablarte de alguna partícula subatómica. En concreto de tres muy conocidas, que seguro ya te presentaron tus profesores en el colegio. Los protones, los electrones y los neutrones. Rutherford tiene mucha culpa de que te suenen, pues es el responsable del modelo atómico que los de mi generación hemos aprendido en nuestra EGB y que nuestros hijos interiorizan hoy en su ESO. No sólo él. En realidad, todo este mundo se lo debemos a un puñado de científicos que, a comienzos del siglo XX, le dieron unas cuantas vueltas a esto del átomo.



El dibujo de la figura muestra lo que podría ser un átomo de Helio. Helio es “sol” en griego. Es el nombre que se le puso a este elemento químico a finales del siglo XIX por haberse inferido su existencia a partir de la observación de un eclipse solar en 1868. Hasta entonces lo que venía pasando en el mundo de la química era que se descubrían materiales en la Tierra y, luego, éstos eran identificados en los objetos celestes. Con el Helio pasó lo contrario. Fue, por lo tanto, el primer elemento que se descubrió fuera de nuestro planeta. En el sol. Como puedes ver en el dibujo, el Helio tiene dos protones, dos neutrones y dos electrones. Dos, dos, dos. Muchos doses. Pero es que ocupa el segundo lugar en la tabla periódica. En seguida te contaré el porqué de esta coincidencia.


El modelo atómico que propuso Ernest Rutherford en 1911, en el que nos basamos para poder llegar al dibujo que te he mostrado del Helio, establece que la masa del átomo se concentra en un punto central. En el núcleo. En ese lugar se ubican los protones y los neutrones. Y dando vueltas a su alrededor aparecen los electrones. Como si fuesen planetas orbitando alrededor del sol. El núcleo tiene carga positiva, mientras que los electrones llevan asociada una carga negativa, para dar lugar en su conjunto a una carga neutra. Te he hablado de cargas, pero no tengo claro que sepas lo que son. ¿O sí? La carga es una propiedad de la materia que es fundamental en todo lo que vamos a ver a continuación, y me interesa que comprendas qué significa. Muy por encima. Y para ello vamos a recordar juntos qué es un imán y por qué se comporta de esa manera tan “mágica”. La analogía con los imanes seguro que nos aporta alguna luz. Los imanes son materiales magnéticos. Esto quiere decir que presentan las propiedades del magnetismo. ¡Vaya! Un bucle. A ver si salimos. El magnetismo es un fenómeno físico por el que unos objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros objetos. Esto seguro que lo has pillado, porque en tu nevera habrá algún imán sujetando algún dibujo de los niños. O alguna foto o postal. ¿Recuerdas la primera vez que viste un imán? Seguramente eras muy pequeño. Pero estoy convencido de que te resultó mágico. Si tenías en las manos dos imanes, seguro que te resultó curioso no sólo cómo se atraían, sino también cómo eras incapaz de hacer que éstos se tocasen cuando le dabas la vuelta a uno de ellos… ¿magia? No. Los imanes tienen dos zonas donde las acciones de atracción y repulsión se manifiestan. Es una propiedad que tienen. Estas zonas están situadas en sus extremos y son los denominados polos magnéticos: norte (N) y sur (S). Cada uno de ellos con una carga. Uno con carga positiva y otro con carga negativa. La propiedad fundamental de los imanes es que los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen.



Esta propiedad que tienen los polos se debe precisamente a sus cargas. Las cargas eléctricas con diferente signo se acercarán por acción de esas fuerzas de atracción magnética. Una carga negativa atraerá una positiva y una carga positiva atraerá otra negativa. Por otro lado, las cargas eléctricas que presentan el mismo signo se repelerán debido a la fuerza de repulsión que se genera entre ellas. Esto es síntoma de que existe una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. Pero es pronto para que lo entiendas. Luego hablaremos de esta relación, porque es uno de los “trucos” más fantásticos de la física. El electromagnetismo. Cuando en capítulos sucesivos te cuente lo que es, te hablaré más sobre los imanes y sobre sus fuerzas. Por ahora, lo único que quiero que tengas presente sobre las cargas es lo que muestra el dibujo anterior. Que existen y que una carga positiva se sentirá atraída por una carga negativa, con la misma fuerza con la que dos cargas positivas o dos cargas negativas se repelerán entre sí. Igual que sucede en un imán. Tan fácil como eso.


Volvamos con el bueno de Rutherford y con su modelo atómico. Otra de las aportaciones de este científico es que le dio una dimensión al átomo. Y a lo que había en él. Rutherford estableció que existía una gran distancia entre el núcleo y los electrones. Obviamente no era una distancia grande, porque el átomo es muy pequeño, pero sí una distancia “relativamente” grande en comparación con el tamaño de ese núcleo y de esos electrones. Para Rutherford el átomo estaba compuesto por mucho “vacío”. En el dibujo del átomo de Helio que te pinté al principio del capítulo no he tenido en cuenta estas dimensiones. Porque es imposible hacerlo. Y es que el núcleo es unas 10.000 veces más pequeño que el átomo en su totalidad. Cuatro órdenes de magnitud más pequeño. Para que te puedas hacer una idea de esta relación, si nos imaginamos que el átomo tiene el tamaño de un balón de baloncesto, su núcleo tendría el tamaño de una mota de polvo. Así que, si la materia está compuesta de átomos y los átomos son prácticamente todo espacio vacío, la cosa da bastante que pensar, pues todo lo que tocamos (incluido el suelo que pisamos) está compuesto por… nada. Curioso, ¿verdad? Cuanto menos inquietante. Sigamos.


Hagamos un poco de historia hasta el momento en que Rutherford plantea su modelo atómico, pues entonces se venía especulando bastante con cómo era el átomo por dentro. La idea, comúnmente aceptada entonces en la comunidad científica, era que el átomo distribuía sus cargas en su interior de una manera uniforme. Vamos, que habría protones y electrones por aquí y por allá, sin orden ni concierto. Todos mezclados y distribuidos. Este modelo era conocido como el “budín de pasas”, en el que los electrones, con carga negativa, se asemejan a “pasas” que se distribuyen dentro de un “budín” o bizcocho, que tiene carga positiva.



Éste era el modelo atómico vigente. El que Thomson había postulado en 1904. Joseph John Thomson fue, entre otras cosas, el descubridor del electrón. Esta partícula subatómica, que irá tomando relevancia a medida que avancemos, tiene bastante que ver con nuestra historia y te hablaré de ella en un rato. Pero no nos desviemos de Rutherford y de su modelo. En este punto estoy seguro de que te estás preguntando cómo alguien a principios del siglo XX fue capaz de ver que el átomo tenía esta estructura tan peculiar. Porque los átomos no son “cosas” que puedan observarse con un microscopio. Y menos con un microscopio de la época. Algo “mágico” tuvo que hacer Rutherford para poder decir que la estructura del átomo no era uniforme en la distribución de sus cargas, como Thomson apuntaba, sino que éstas de distribuían de esta forma tan curiosa. ¿Cómo fue capaz Rutherford de estructurar y dimensionar el átomo? Pues, como se hace casi siempre que las cosas no se entienden. Experimentando. Mecanismo de prueba y error. Algo muy normal en esto de la física.


En el experimento que realizó para demostrar la estructura del átomo, Rutherford empleó una lámina de oro que bombardeó con partículas alfa. ¡Toma ya! Quita esa cara de susto, anda. Las partículas alfa no son otra cosa que núcleos de Helio. Sí. Coge el átomo que te dibujé al principio del capítulo y quítale los electrones. Ahí tienes un núcleo de Helio. Dos protones y dos neutrones. Una auténtica partícula alfa. ¡Guau! En realidad, no te tiene que importar mucho el tipo de elemento que Rutherford utilizó para disparar contra la lámina de oro. Quiero que te quedes simplemente con que los “proyectiles” que utilizó para su experimento tenían una pequeña carga positiva. Pero… ¿qué esperaba ver Rutherford al bombardear el oro con estas partículas cargadas positivamente? Pongámonos en su cabeza. El modelo atómico vigente suponía una distribución uniforme de las partículas subatómicas dentro del átomo. Rutherford intuía, sin embargo, que el átomo estaba compuesto, como ya te dije, por una gran cantidad de “vacío” con excepción de una zona, su núcleo, donde se concentraría toda la carga positiva. Por lo tanto, si lanzaba unas pequeñas cargas positivas contra los átomos de oro de la lámina, no todas la atravesarían como postulaba Thomson. La mayoría la atravesarían. Vale. Pero algunas de ellas se golpearían con las concentraciones de carga positiva del núcleo de los átomos de oro. Y, al ejercer éstos una fuerza de repulsión sobre las partículas alfa (debido a esa igualdad de carga) éstas se desviarían o incluso rebotarían.


Entiendo que ahora mismo te resulta difícil entender que lanzas “algo” contra una lámina y ese “algo” pueda atravesarla. Vamos a imaginar que tienes un microscopio capaz de ver las cosas más pequeñas del mundo mundial. El que no tenían ni Thomson ni Rutherford en ese momento de la historia. Además, vamos a imaginar que ese microscopio tiene una propiedad “mágica” que hace que veas lo que quieres ver. De esta forma, si Thomson mirase a su través, vería las cosas tal y como él se las imaginaba. Su modelo atómico. Y si mirase Rutherford, vería el suyo. Pues bien. Cuando Thomson miraba a esa lámina de oro con nuestro particular microscopio, veía una especie de queso gruyere. Queso y agujeros. Por lo tanto, si alguien lanzase contra esa loncha de queso un pequeño proyectil, podrían pasar dos cosas. Que ese proyectil no tocase el queso, porque pasase a través de los agujeros. O bien, que se chocase con el queso que, al ser un material blando, sería atravesado por el proyectil sin desviación aparente. El átomo que suponía Thomson, al estar la carga positiva muy distribuida por la lámina de oro, no ofrecería resistencia magnética suficiente como para detener o incluso desviar las pequeñas partículas alfa de carga positiva. En consecuencia, todas las partículas alfa atravesarían la lámina de oro sin desviación.



Supongamos que ahora es Rutherford el que mira a través de nuestro microscopio “mágico” para ver la composición de la lámina de oro. Para Rutherford la lámina de oro no era una loncha de queso, sino una especie de placa de un material totalmente resistente a las balas, que tendría unos agujeros muy grandes. En este caso, si disparásemos proyectiles contra la lámina podrían pasar dos cosas. Que las balas se colasen entre los agujeros, en cuyo caso no habría desviación de ningún tipo, o que impactasen contra el material antibalas. En este segundo caso, el proyectil se desviaría o incluso podría rebotar. Por lo tanto, la mayoría de las partículas alfa atravesaría la lámina de oro, puesto que encontrarían mucho vacío. Mucha nada. Mucho agujero. Sin embargo, una pequeña parte de estas partículas se desviaría al impactar con los núcleos de los átomos de oro e, incluso, alguna podría rebotar al encontrarse de frente con una carga positiva tan alta.


Ni que decir tiene que el experimento salió a pedir de boca. Rutherford había escogido el oro como material para su lámina, porque sabía que este átomo contaba con un total de 79 protones en su núcleo. Muchos. Los átomos debían tener un núcleo con suficiente carga positiva para que repeliesen o incordiasen lo suficiente a los pequeños núcleos de Helio con sólo dos protones. Y, aunque la mayoría de las partículas atravesaron la lámina sin desviación, un número significativo de ellas salió desviado e incluso rebotado, con desviaciones de hasta 180 grados de su trayectoria original. Las cargas positivas, esto es, los protones, no podían estar desperdigados por el átomo. Estaban concentrados en un punto. En su núcleo.



Pero no le duró mucho su modelo al amigo Rutherford. Las bases sí. Pero hubo que hacer varias modificaciones y sucesivas revisiones al mismo en los años posteriores. Sólo dos años más tarde, Bohr lo recompuso introduciendo alguna variante que lo mejoró, apoyándose en la mecánica cuántica. Sin cambiar lo fundamental, eso sí. Sommerfeld siguió perfeccionando el modelo, pero también mantuvo su estructura central. En el siguiente capítulo te hablaré de algunos de estos matices, que tanto Bohr como Sommerfeld introdujeron para dar estabilidad al átomo. Su entendimiento es necesario para que pueda explicarte luego por qué los objetos se ven de distintos colores o cómo funciona el láser. A partir de aquí, las matizaciones posteriores de Schrödinger, Dirac y algunos otros que han seguido dándole vueltas a todo esto, son ya detalles que precisan unos conocimientos más profundos de la física para apreciarse, por lo que no voy a entrar en ellos. Como conclusión quédate con el hecho de que el modelo atómico ha venido cambiando hasta nuestros días. Los fundamentos que estableció Rutherford son la base de todo lo posterior. A él le debemos la estructura básica.


Quedémonos con esto por el momento. Porque, ahora mismo, con lo que sabemos sobre el átomo, tenemos de sobra para avanzar hasta la siguiente parada de nuestro viaje. El que nos llevará hacia el conocimiento de las telecomunicaciones. En la siguiente escala entraremos un poco más en detalle en el elemento clave de la electricidad: el electrón. 



Próximo capítulo: El electrón

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