El universo es infinitamente extenso y fascinante, un cosmos lleno de enigmas que desde hace siglos cautiva a la humanidad. Generaciones de científicos han intentado explicar lo inconcebible.
Cuáles son los diferentes
modelos atómicos que existen? En busca del origen de la
materia, se funden las barreras entre el saber científico y los
modelos de pensamiento filosófico. Hace más de 2000 años los filósofos de la antigua Grecia intentaron indagar en los misterios de la naturaleza, y acuñaron un término que habría de cambiar el mundo:
el átomo, lo invisible. La unidad más pequeña posible indivisible de la naturaleza.
Aunque nunca demostraron su existencia. Dos mil años después, la observación meticulosa de la naturaleza descubrió la existencia de irregularidades. Los fenómenos naturales podían explicarse, describirse, y en ocasiones preverse. Aún se dio un paso más: se idearon experimentos. La naturaleza se resumió en cifras. El método científico había nacido.
Dalton
John Dalton, usando estos métodos confirió a la idea de
átomo un significado científico. A diferencia de los creadores griegos del concepto, no se conformó con suposiciones. Sirviéndose de una báscula, intentó descubrir las regularidades en reacciones químicas.
Dalton definió los elementos químicos como
materias que poseen un
valor atómico propio, de
átomos igual de grandes e igual de pesados.
Dalton representó
los átomos mediante círculos.
Los
átomos no cambian. Cuando se produce una reacción química, sólo se reordenan. Cómo están unidos
unos átomos con otros,
Dalton sólo podía especular porque nunca pudo verlos. A partir del espesor de una película de aceite, se determinó ya entonces el tamaño de
un átomo. Su tamaño era inferior a 1 millonésima de un centímetro. Microscópico por tanto.
El siglo diecinueve simboliza una época de progreso técnico y científico. El hombre comprendió que podía beneficiarse de los conocimientos que había adquirido sobre la naturaleza. Se apoderó de los tesoros de la Tierra y alumbró la oscuridad. Hacia finales de siglo uso para ello la corriente eléctrica. El progreso ya no podía detenerse.
Pero en el siglo 19 aún quedaba por demostrar
la existencia de los átomos. Por eso, algunos científicos dudaban que existiera de verdad, y aquellos que creían en
el átomo tuvieron que conformarse con las deficiencias de una
teoría atómica basada en bolas de masa pura. Había algunas observaciones que sencillamente no tenían explicación. Qué determina la estructura de los cristales? cómo se realizan los enlaces químicos? Qué da color a las cosas? Estas y otras preguntas quedaban sin responder.
Thomson
Al final, todo indicaba que
los átomos a pesar de su significado inicial, sí que eran divisibles, y que están formados por
partículas aún más pequeñas. En 1897
Joseph Thomson descubrió el
electrón, una
partícula única, más pequeña y ligera que
el atomo más pequeño. En 1904
Thomson desarrolló un
modelo atómico que establecía
el electrón como un elemento constitutivo fundamental. Según este
modelo, los
electrones cargados negativamente están rodeados de una
masa de materia cargada positivamente, similar a las pasas en la masa de un pastel.
El valor científico de este
modelo del pastel de pasas fue más bien insignificante, pero sirvió para tentar a los físicos a estudiar a fondo la
estructura del átomo. En efecto,
Joseph Thompson atrajo a muchos jóvenes científicos interesados en trabajar en su laboratorio de Cambridge. Entre ellos, el neozelandés
Ernest Rutherford.
Rutherford
En 1911
Rutherford usó radiación radioactiva para
analizar el átomo en toda regla. Bombardeó con
partículas alfa cargadas positivamente una finísima lamina de oro, que a su vez estaba formada de unos cientos de
capas de átomos. Sorprendentemente, sólo unas pocas radiaciones sufrieron desviaciones. La mayoría atravesaron la lámina sin trabas. De este experimento,
Rutherford dedujo que los
átomos no podían ser una bola de masa, sino que
la mayor parte de un átomo era espacio vacío. Sólo en casos muy aislados en los que los rayos rebotaban, parecían chocar con algo.
A partir de estas observaciones,
Rutherford desarrolló su
modelo atómico. Así pues, casi toda
la masa del átomo se concentra en un minúsculo núcleo de carga positiva, que está rodeado de
electrones. Para que el núcleo no atraiga a los
electrones de carga negativa, estos se desplazan en una órbita semejante a los planetas alrededor del sol. No obstante, el
modelo de Rutherford presentó un fallo determinante. De acuerdo con las leyes del electromagnetismo, los
electrones alrededor del
núcleo debían emitir
energía constantemente, y en consecuencia precipitarse contra el
núcleo. Si fuera así, los
átomos no existirían Pero considerando que vivimos en un mundo comparativamente muy estable, el
modelo de Rutherford debía ser falso. La idea decisiva para resolver este problema la tuvo en 1913 el físico danés y alumno de
Rutherford,
Niels Bohr.
Bohr
Un
modelo acertado no solamente debía ser capaz de explicar la evidente
estabilidad de los átomos. También debía poder describir
cómo emitían luces los átomos. Por tanto, debía poder esclarecer por ejemplo, cómo tenían lugar las líneas del espectro de hidrógeno. Este fue el punto de partida de
Bohr. Clasificó dos
órbitas de electrones según su energía. Un radio mayor significaba más energía, y uno más pequeño, menos energía. Cuando un
electrón cae desde una órbita exterior a una interior, pierde energía, que desprende en forma de
fotón. Con una energía específica, lo que se plasma con una línea clara en el espectro.
El
modelo de Bohr únicamente permite que los electrones se sitúan en las órbitas más cercanas al
núcleo, donde por tanto, no emiten energía. Que
Bohr no pudiera fundamentar mejor estas hipótesis más o menos arbitrarias, le provocó una gran desazón. Sólo podía defender
su modelo atómico en la medida en que coincidía con las observaciones de los físicos, y pudo explicar al menos el más sencillo de
todos los átomos: el
átomo de Hidrógeno.
Sommerfeld
En los años 1915 y 1916, el físico muniqués Arnold Sommerfeld amplió
el modelo de Bohr definiendo las órbitas de los electrones como elípticas. El conocimiento adquirido sobre la
estructura del átomo, permitió entender la base física de los sistemas periódicos en los elementos químicos. A partir del hidrógeno se podía inferir el resto de elementos químicos, completando con electrones las capas de la serie. La tabla periódica de los elementos se explicaba pues con la ordenación de los electrones.
El cambio político y social radical causado por el régimen de terror de los nacionalsocialistas, forzó a muchos
físicos atómicos a abandonar Europa. La mayoría de científicos, frecuentemente judíos, huyó a Estados Unidos. En el curso de la segunda guerra mundial, la física
nuclear comenzó a perder su inocencia. Fue
Niels Bohr, defensor de las fuerzas angloamericanas, quien tomó la delantera a los alemanes en la construcción de la bomba
nuclear. Del
átomo, pasaron a ser físicos
nucleares.
En una operación hercúlea, 180 mil hombres trabajaron en la construcción de la
bomba atómica americana. engendraron el arma más terrible de todos los tiempos. En 1954, cerca de Ginebra se fundó la Organización Europea para la
Investigación Nuclear. En ella se reúnen 13 naciones para estudiar conjuntamente los misterios de la
materia.
Es asombroso, cuanto más pequeña es la
materia estudiada más caros y colosales son los experimentos. Mientras tanto, se había identificado que el
núcleo del átomo también está compuesto de
partículas diminutas, de protones y neutrones. Ahora todos los esfuerzos se concentraban en buscar
partículas aún más pequeñas, los últimos elementos constitutivos de la
materia.
En
aceleradores nucleares, enormes
partículas cargadas eléctricamente (
electrones,
protones o pequeños
núcleos atómicos) se aceleran a altas velocidades. A veces alcanzan casi la velocidad de la luz. Imanes gigantes mantienen las
partículas en su
órbita. Unas instalaciones especiales enfardan las radiaciones emitidas. Al chocar con otras
partículas, permiten extraer conclusiones sobre su estructura.
Cada vez con más frecuencia se plantea la pregunta del sentido y el objetivo de unos esfuerzos tan monstruosos. Calmar la curiosidad del ser humano, el afán por descifrar hasta el último misterio de la naturaleza, es un motivo, pero no el único. Por supuesto, también los usos prácticos nos empujan a realizar este tipo de investigaciones básicas. La superconductividad, el fenómeno de transmisión de
energía eléctrica sin resistencia, tiene una aplicación médica: Imanes superconductores se usan en la resonancia magnética nuclear. Los rayos láser hace tiempo que salieron de los laboratorios y se instalaron en nuestra vida cotidiana. Los rayos laser emanan cuando se
fuerza a los átomos a emitir su luz sincronizadamente.
Quien quiera entender el fenómeno laser, no tienen otro remedio que estudiar cómo Niels
Bohr los contenidos energéticos de los
electrones en el átomo. De la fusión líquida, un cristal puro del elemento silicio. Conocemos sus propiedades eléctricas y las podemos modificar contaminando con los llamados materiales de dopaje. Así se pueden conseguir pequeñas áreas con propiedades eléctricas definidas. De este modo, podemos poner varios millones de transistores sobre una superficie muy pequeña. Una tecnología que ha cambiado nuestras vidas y cuyos progresos futuros son imprevisibles.
Las estructuras son cada vez más finas y más complejas. Simultáneamente, los aparatos son cada vez más precisos y refinados. Con agujas cuyas puntas están compuestas de un
único átomo, podemos leer superficies. Con el microscopio reticulado podemos ser espectadores de la formación de cristales. Átomo a átomo, vemos crecer el cristal. Con el mismo método incluso podemos ver los átomos. Cada una de estas elevaciones es un átomo. Que tengamos tanta confianza en los átomos, hemos de agradecérselo por último al precursor de la
teoría atómica moderna,
Niels Bohr.
