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¿De qué estamos hechos? I: El átomo

¿De qué estamos hechos? I: El átomo

Publicado el 2020-12-30 15:32:22

Una de las preguntas fundamentales que puede hacerse un ser humano es ¿de qué estoy hecho? Hace dos milenios los griegos presagiaron que estamos formados por bloques mínimos de materia que se unen. En esta serie de artículos vamos a explorar lo que sabemos sobre estos bloques que nos componen, y empezaremos con un recuento de cómo sabemos que estos existen.

En el siglo XVIII los químicos realizaban experimentos con todo tipo de sustancias. Las mezclaban, separaban, calentaban, destilaban, sintetizaban, quemaban, disolvían... En 1748 Mijaíl Lamonósov descubrió que si las reacciones se llevan a cabo en contenedores herméticos, es decir, en un sistema cerrado, la masa de las sustancias antes y después de la reacción permanece constante. Este hecho se conoce como la Ley de conservación de la masa, o Ley de conservación de la materia.

Después, en 1799 Louis Proust formuló la Ley de proporciones constantes, que dice que cada compuesto químico, sin importar la cantidad, está formado por proporciones fijas de otras sustancias. Por ejemplo, el agua sería la mezcla de dos partes de hidrógeno por cada parte de oxigeno.

Armado con estos dos hechos, y después de notar que dos sustancias se pueden mezclar en distintas proporciones para formar compuestos diferentes, John Dalton dedujo la Ley de proporciones múltiples en 1803. Llegó a esta conclusión al estudiar los óxidos de varios metales.

Trabajó con dos óxidos de hierro distintos, uno en el que por cada 100 partes de hierro hay 28 partes de oxígeno y otro en el que por cada 100 partes de hierro hay 42 partes de oxígeno.  Notemos que tanto 28 como 42 son divisibles entre 14. 28 es igual a 14 por 2 y 42 es igual a 14 por 3. Esto es importante porque es un patrón que surge en los óxidos de otros metales. Las proporciones de oxígeno son múltiplos enteros de algún otro número. De aquí concluyó que las sustancias tendrían que estar formadas por un número entero de partes mínimas. Así nació la teoría atómica moderna. 

Se utilizó la palabra átomo para designar a estas partes mínimas que constituyen a la materia, retomando el sentido griego de la palabra, que significa indivisible.

En ese momento se creyó que los átomos eran esferas sólidas, pelotitas rellenas de materia, y lo más importante, se creyó que era la unidad mínima de materia en el universo. Pero todavía falta mucha historia por contar.

Lo que seguimos considerando cierto es que los átomos de cada elemento tienen la misma masa y las mismas propiedades, que los compuestos son combinaciones de átomos de al menos dos elementos y que las reacciones químicas son el reordenamientos de los átomos en los compuestos.

Fue hasta 1897 cuando J.J. Thomson encontró una partícula cuya masa era menor a una milésima de la masa de todo átomo conocido. Thomson estaba trabajando con un tubo de vidrio del que se había extraído todo el aire posible, y que tenía dos electrodos, uno en cada lado. Conectó un circuito eléctrico a los electrodos y observó un rayo de partículas circulando dentro del tubo. Al acercar un imán notó que el rayo se desviaba hacia el polo positivo. Así concluyó que las partículas en el rayo tenían carga negativa. Thomson repitió el experimento usando electrodos de distintos metales y el resultado fue el mismo.

El hecho de que la masa de las partículas que Thomson acababa de descubrir fuera significativamente menor que la masa del hidrógeno, el átomo más ligero, le hizo pensar que estas partículas eran solo una parte del átomo, haciendo divisible lo que hasta entonces se pensaba indivisible.

Thomson llamó a estas partículas corpúsculos y asumió que los átomos eran un mar con carga positiva poblado por corpúsculos con carga negativa. Hoy conocemos a los corpúsculos como electrones.

En 1919 Ernest Rutherford puso a prueba la hipótesis del mar con carga positiva. Supuso que la carga positiva debía estar uniformemente distribuida en el átomo y tomando en cuenta que cargas iguales se repelen se dispuso a probar el efecto que tenía el átomo en partículas con carga positiva.

El radio es un elemento radioactivo que al descomponerse emite partículas con carga positiva, llamadas partículas alfa. Rutherford construyó una máquina con radio en su interior, con una pequeña ranura por la que salía un rayo de partículas alfa. 

El experimento consistía en disparar el rayo hacia una delgadísima placa de oro. Suponía que la carga positiva de los átomos no sería lo suficientemente fuerte para detener el rayo, dada la velocidad y la masa que tenía. Esperaba que el rayo atravesara la placa y se inclinara sólo un poco su trayectoria. 

Lo que sucedió fue completamente inesperado. La mayoría de las partículas atravesaron la placa sin ninguna perturbación y unas pocas fueron desviadas más de 90°. Es decir, algunas partículas estaban chocando con algo que las hacía rebotar. Y la desviación era tan pronunciada que pudo concluir que la carga positiva del átomo está concentrada en una pequeña parte del átomo, y lo mismo se podía decir de su masa. El hecho de que el resto de las partículas atravesara la placa sin problemas indicaba que la mayor parte del átomo está formado por espacio vacío.

Con este experimento se detectó por primera vez el núcleo del átomo, y se dejó atrás la idea de que la materia está formada por esferas sólidas. Cabe destacar que la masa de los electrones es tan pequeña que podemos considerar que prácticamente toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo.

En este punto los científicos se preguntaron si el núcleo era indivisible y si ya habían encontrado todas las partes del átomo. Entonces repitieron el experimento de Rutherford disparando rayos de mayor energía. Las colisiones lograron desintegrar núcleos en partes más pequeñas, y fue así como se descubrió el protón. La carga eléctrica del protón tiene la misma magnitud que la del electrón, pero es positiva en vez de negativa.

Al repetir este experimento con distintos elementos notaron una inconsistencia entre la carga y la masa del núcleo. Para algunos elementos la masa del núcleo era mayor a la masa de los protones que según la carga debía haber en el núcleo. Rutherford pronosticó que debía existir una partícula de masa similar al protón pero sin carga eléctrica. Lo llamó neutrón.

Fue en 1982 que James Chadwick obtuvo evidencia de la existencia del neutrón al detectar radiación eléctricamente neutra siendo emitida por núcleos de berilio cuando se les bombardeaba con partículas alfa.

Nuevamente cabe preguntar ¿son el electrón, protón y neutrón indivisibles?

Para responder esta pregunta los científicos siguieron golpeando partículas con rayos cada vez más energéticos. Para ello se han construido aceleradores de partículas cada vez más grandes que hacen circular los rayos usando campos magnéticos. Para darnos una idea de cuánto ha aumentado la potencia de estos rayos basta mencionar que el primer acelerador de partículas, creado en 1929 por Ernest Lawrence, era del tamaño de un cuarto, mientras que el acelerador de partículas del CERN, donde se descubrió el bosón de Higgs, rodea a toda la ciudad de Ginebra, Suiza.

Con colisiones más potentes se ha descubierto que el protón y el neutrón están formado por partículas más pequeñas, llamadas quarks. Se cree que el electrón y los quarks son indivisibles, ya que no se ha logrado desintegrarlos hasta ahora. No sabemos si a  medida que la tecnología avance y se tenga acceso a energías más altas esto pueda cambiar.

Se han descubierto muchos quarks diferentes, con propiedades que no entendemos cómo se traducen fuera del mundo microscópico. Por ello no sorprende que los quarks que forman a los protones y neutrones se clasifiquen como arriba  o abajo, y que a esta característica se le llame sabor. Existen quarks de otros sabores, llamados encanto (charm), extraño (strange), cima (top) y fondo (bottom). Pero estos sólo se han observado por algunos instantes en colisionadores de partículas, ya que después de ser creados se desintegran.

El quark arriba tiene carga positiva, con magnitud dos tercios de la carga del protón y el quark abajo tiene carga negativa de un tercio la carga del electrón. Al unir un quark arriba con dos quarks abajo las cargas se compensan, y obtenemos una partícula sin carga: el neutrón. Mientras que dos quarks arriba con  un quark abajo resultan en una partícula con carga positiva entera: el protón.

En general los quarks siempre existen en grupos. Pueden combinarse de otras maneras y derivar en partículas distintas al protón y al neutrón, pero estas partículas son inestables y no viven por mucho tiempo.

En la siguiente entrega hablaremos sobre la estructura interna del átomo, y las consecuencias que tiene que los electrones existan en órbitas. Por lo pronto basta saber que la materia que nos rodea está formada por átomos de diferentes elementos, y que cada elemento tiene un número fijo de protones en su núcleo. Dentro de cada elemento pueden haber átomos con más o menos electrones, dependiendo de si el átomo está cargado, y más o menos neutrones. Pero el número de protones determina de qué elemento estamos hablando.

Ante la pregunta "¿De qué estamos hechos?" el átomo, como vimos, tiene mucho que responder.


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