Acerca de lo que estas hecho.

La materia forma nuestro universo, lo cotidiano, lo más valioso, a lo que nos aferramos en este muy material cosmos.

Su composición y la manera en que se conforma son incógnitas que se ha venido revelando a lo largo de la historia de la humanidad, de mejor manera, creo, a partir del enfoque científico. El modelo materialista en el que el azar y la reacción en cadena, son hasta ahora, las únicas formas de interpretarlo todo.

¿De que está hecha la materia? ¿De que que estamos hechos? ¿Y cómo las cosas y los seres vivos? ¿Los planetas, el sol, las estrellas, las galaxias? 

Empezaré la historia de acuerdo a nuestra “cultura occidental”, explicada en principio por los filósofos griegos, los primeros pensadores en esta tradición.

Las primeras nociones de los componentes de la materia, quedaron documentados para Demócrito nativo de Abdera (460 – 370 a. C.), que desarrolló sus postulados a partir de las ideas de su maestro el filósofo Leucipo (siglo V a. C.), todo basado sobre los cuatro elementos fundamentales y el pensamiento de que cualquier objeto físico siempre podrá ser dividido en dos, hasta llegar al límite, en el que no se dividen más.

Los postulados de Demócrito de Abdera son: 

1) Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incomprensibles e invisibles.

2) Los átomos se diferencian sólo en forma y tamaño, pero no por cualidades internas.

3) Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

El Átomo estilizado, tomado de Pinteres

Demócrito pensaba que los átomos se mantenían en movimiento eterno, por ello tenían la cualidad de ser eternos, dicho movimiento en el vacío es una cualidad inherente. Debido a su forma es factible que se ensamblen unos con otros, sin fusionarse, existe en sus uniones siempre un espacio de vacío lo que permite su identificación. Los átomos que forman un cuerpo se separan cuando colisionan con otro cuerpo, quedando libres y pueden ensamblarse nuevamente o mantener su movimiento hasta encontrar un nuevo cuerpo para ensamblarse.

Al formar los átomos, por ser su cualidad, un vórtice o remolino, sus colisiones, uniones y separaciones forman los diferentes organismos o cosas y la realidad con su extensa variedad.

Cada objeto que surge en el universo y cada suceso que se produce, sería el resultado de las reacciones entre átomos.

“Todo cuanto existe es fruto del azar y la necesidad”.

Europa paso una etapa, bastante larga, sin que existieran deseos de conocer la verdadera esencia de las cosas, se conformó con explicaciones dogmáticas, principalmente las religiones se ocupaban de lo que era necesario.

Así las cosas, la humanidad atravesó el umbral del “Siglo de las Luces” y entonces empezaron a aparecer explicaciones sustentadas en un nuevo enfoque: La Ciencia.

Entre 1803 y 1807, John Dalton (1766 – 1844), en función a los estudios y experimentos que realizaba, basados en los conocimientos de química que tenía, presentó su ”Teoría Atómica” o “Postulados Atómicos”. El modelo atómico de Dalton constituyó la base de la Química moderna. 

Los enunciados, sobre los que fundamentó la teoría son :

La materia está formada por pequeñas partículas (átomos), indivisibles e indestructibles.

Los átomos que forman un elemento químico son iguales entre si, poseen una misma masa y similares propiedades.

Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen mediante reacciones químicas.

Los átomos, pueden combinarse para formar compuestos, en relación simple, de números enteros y pequeños.

Los átomos de elementos distintos se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.

Los compuestos químicos se forman al unir átomos de dos o más elementos.

Adicionalmente propuso el concepto de peso atómico relativo, al comparar la masa de los elementos contra la masa del hidrógeno, que convirtió en su unidad de equivalencia.

El modelo permitió se enunciara la “Ley de las proporciones constantes”, que indicaba que las sustancias químicas reaccionan en proporciones fijas, así como la “Ley de las proporciones múltiples”, que dice que cuando dos sustancias reaccionan para formar dos o más compuestos diferentes, entonces las proporciones de estos compuestos son números enteros.

Explicó que aún cuando existieran muchas sustancias estas estaban compuestas por una cantidad menor de elementos.

Como dato adicional, él padecía la enfermedad conocida como “daltonismo”, la que describió con exactitud, y su aportación valió para que a la enfermedad se le asignara su nombre.

El daltonismo es una afección que afecta la percepción visual, no se pueden ver los colores de manera normal. En el daltonismo generalmente la persona no puede distinguir los colores. Con frecuencia no distinguen los verdes de los rojos y, a veces, los azules.

Joseph John Thomson (1856 – 1940), propuso en 1904 una nueva teoría para la composición de la materia. En 1887 descubrió el electrón, le llamó “corpúsculo” y concluyó que poseía carga negativa y calculó que tenía una masa 2 mil veces más pequeña que el átomo. Formaba parte del átomo, incrustados en el como las pasas en el pudín. 

De hecho así fue conocido el modelo atómico, era un “pudín de pasas”. Propuso que los “corpúsculos”, con carga negativa, flotaban en un mar que tenía carga positiva y supuso que la suma de ello era que el átomo tenía carga positiva, era una esfera en la que se encontraban diseminados los electrones uniformemente.

Pudín de pasas, tomado de Blinkleaming

Ahora esto resulta claramente erróneo, pero considerando que la base de estas ideas las dio el conocimiento existente hasta entonces sobre la electricidad, se explica el razonamiento seguido por Thomson. Quien además de descubrir el electrón, se dio tiempo para encontrar la existencia de los isotopos de los elementos químicos,demostró que el hidrógeno tiene un sólo electrón, inventó el espectrómetro de masa e impartió clases en Cavendish, los laboratorios queconstituyen el departamento de física de la Universidad de Cambridge. Sus alumnos, entre otros,Robert Oppenheimer, Niels Bohr, Ernest Rutherford, Max Born, Paul Langevin.

El modelo de Thomson explicaba con solidez muchos de los efectos observados en las reacciones químicas, aunque hacía predicciones incorrectas sobre la distribución de la carga positiva en el átomo. Y fueron sus alumnos los continuadores de las investigaciones y los que tuvieron los logros posteriores a los de su maestro, que en el año 1906 fue el ganador del Nobel de Física,«en reconocimiento de los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales en la conducción de la electricidad generada por los gases». Los rayos catódicos y su comportamiento observado en los tubos de Crookes, que fueron la versión mejorada de los tubos de Geissier (1850), sirvieron para el descubrimiento de los “corpúsculos”.

Con el paso del tiempo este ingenio se convirtió en parte de nuestra vida cotidiana, al ser adaptado como un monitor, fuela pantalla del televisor y con el principio de la máscara de sombra fue utilizado en pantallas para los televisores en colores.

Fue Ernest Rutherford (1871 - 1937) quien entre 1908 y 1913, dirigió a Johannes (Hans) Geiger (1882 – 1945) y Ernest Marsden (1869 – 1970) en la realización de los experimentos a base de partículas “alfa” (sub microscópica con carga positiva). 

En el experimento enviaron un haz de partículas “alfa” sobre una lámina de metal y midieron el patrón de dispersión, el cual fue muy variado, pues iban en todas direcciones, muchas de ellas atravesaron la lamina de lado a ladoy algunas volvieron a la fuente, lo que según la teoría de Thomson no debería pasar. 

Rutherford dedujoque las partículas habían encontrado una fuerza electrostática mayor a la predicha en el modelo del “pudín de pasas”, implicando que la carga positiva del átomo se concentraba en un volumen bastante pequeño, lo que también contradecía lo establecido por Thomson. 

Las esferas de muy alta carga positivas se encontraban inmersas en grandes golfos de espacio vacío. Con una desviación mínima la mayoría de las partículas habían proseguido su camino, mientras que unas pocas chocaron contra los núcleos y fueron desviadas fuertemente.

Rutherford resumió lo acontecido: “La mayoría de los rayos alfa atravesaron la lamina sin dividirse, la mayor parte del espacio de un átomo es espacio vacío, hay una densa y diminuta región que llamo núcleo, que contiene masa positiva y casi toda la masa del átomo, algunos rayos se desviaron, porque pasan muy cerca del centro con carga eléctrica del misma tipo que los rayos alfa (carga positiva), muy pocos rebotaron porque chocan frontalmente contra ejes centros de carga positiva.”

Átomo de Rutherford, tomado de Wikipedia

Ganó el premio Nobel de Química en 1908, “Por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas”. 

En 1911 Rutherford estableció matemáticamente la comprobación de sus conclusiones teóricas, el documento se llamó “La dispersión de partículas alfa y beta por materia y la estructura del átomo”,desarrolló una ecuación matemática que modelaba cómo la lámina debía dispersar las partículas alfa si toda la carga positiva y la mayor parte de la masa atómica se concentraban en un solo punto en el centro de un átomo.

El descubrimiento del núcleo, para 1917, fue sin duda, uno de los aportes más importantes en la historia, modificó todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Con el 99.99% de la masa en él y el total de la carga positiva, estaba complementado por el 0.01% de masa con carga negativa, que igualaba su fuerza, las estimaciones revelaban que la mayor parte del átomo eran espacio vacío.

Esto trajo nuevas preguntas, y campo para las nuevas investigaciones y el encuentro de nuevas sorpresas.

La primera pregunta era sobre lo que permitía que el núcleo cargado positiva se mantuviera, en un espacio tan corto. Y por otro lado de acuerdo a la electrodinámica clásica se predecía que una partícula como el electrón, cargada y acelerada, perderían energía para precipitarse sobre el núcleo. Matemáticamente se tomaban las Leyes de Newton y combinadas con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo al aplicarse al átomo de Rutherford establecían que en un tiempo, de 10 elevado a la décima potencia negativa de segundos, toda la energía del átomo se habría radiado. Desde el punto de vista de la Física clásica se calificó como un modelo inestable físicamente.

La teoría de Niels Bohr (1855 – 1962) apareció en 1913, combinando hábilmente las físicas clásica y cuántica, por lo que se le clasifica como una teoría transicional. Para esa efervescente época de ideas novedosas, Bohr combinó la idea de Rutherford sobre el núcleo, pero para el caso del hidrógeno formado por un protón y girando a su alrededor un electrón, fue combinándola con las incipientes ideas surgidas en los trabajos de Albert Einstein (1879- 1955) y Max Plank (1858 – 1947).

Encontró que las órbitas de los electrones deberían de estar caracterizadas por su valor energético, ubicándose en el nivel orbital más cercano al núcleo, la de la menor energía posible. Cada nivel podría identificarse por un número entero mayor o igual que uno. Se le llamó a esto el “número cuántico principal”. Supuso que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podría variar en fracciones enteras de la constante de Plank.

Átomo con órbitas de los electrones, tomado de Portal Educativo.

Utilizando el “número Cuántico principal” calculó las distancias que existían entre el núcleo y cada una de ellas. Cada órbita tiene electrones con diferentes niveles de energía obtenida que después tiene que liberar y por ello salta de un nivel a otro hasta que encuentra el equilibrio, que le ofrezca el espacio y nivel energético adecuado.

Los postulados de Bohr son tres: 

Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin irradiar energía, el primero; 

el segundo dice: Las únicas órbitas permitidas son aquellas para las cuales el valor angular del electrón tiene el valor múltiplo entero de la constante de Plank (definida como el cuanto elemental de acción) y cuyo valor es muy pequeño (6.6260957 x 29 x 10a la -34 joules por segundo);

mientras que el tercero es: El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En dicho cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos niveles.

En 1916 Arnold Sommerfeld (1868 – 1951), desarrolló un nuevo modelo para el átomo, fue una generalización relativista de la teoría de Bohr, con ella solucionó el problema que representó que contra la propuesta teórica de que todos los electrones en una orbita presentaban el mismo nivel de energía, en la observación en elementos distintos al hidrógeno, la energía de electrones ubicados en el mismo nivel orbital, presentaban diferencias en sus valores de energía.

Infirió que los electrones no recorrían órbitas circulares, sino casi elípticas y velocidades relativistas. 

Sus postulados fueron: 

Primero los electrones recorren órbitas circulares o elípticas;

segundo: A partir del segundo nivel energético existen dos o más sub niveles en el mismo nivel y 

tercero: El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

La teoría de Bohr tuvo nueva aplicación al sumarse a la dualidad onda – corpúsculo, que Erwin Schördinger (1887 – 1967) capitalizó en la ecuación que lleva su nombre en 1925 y que describe la evolución en el tiempo de una partícula sub atómica masiva de naturaleza ondulatoria y no relativista, se convirtió en la ecuación fundamental de la mecánica cuántica. 

El modelo atómico de Schrödinger es cuántico no relativista, en ella los electrones se contemplaban originalmente como una onda estacionaria de materia, cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico. Les describía como ondas de materia, así entonces la ecuación de Schördinger se interpretaba como la evolución del tiempo y el espacio de dicha onda material.

Prediciendo con exactitud las líneas de emisión espectrales, que son, o bien, una línea oscura o en cambio una brillante, en un espectrouniforme y continuo; resultado de un exceso o una carencia de fotones en un estrecho rango de frecuencias, puede ser de emisión si hay exceso de fotones o de absorción si hay carencia de fotones. Esto, tanto en átomos neutros como ionizados.

También predice la modificación de los niveles energéticos cuando existe un campo magnético o eléctrico, efecto Zeeman ( de Pieter Zeeman nacido en 1865 y fallecido en 1943)o efecto Stark (de Johannes Stark nacido en 1874 y fallecido en 1957)respectivamente.

Además, con ciertas modificacionessemi-heurísticas el modelo explica el enlace químico y la estabilidad de las moléculas.

Sin embargo, el nombre de "modelo atómico" de Schrödinger puede llevar a una confusión ya que no define la estructura completa del átomo. El modelo de Schrödinger explica solo la estructura electrónica del átomo y su interacción con la estructura electrónica de otros átomos, pero no describe cómo es el núcleo atómico ni su estabilidad.

El capítulo siguiente lo escribirían Paul Dirac (1902 – 1984) y se verá el descubrimiento de los protones y los neutrones, y su impacto en lo posterior, ello en la segunda parte de esta reseña.

Átomo con órbitas de los electrones y el núcleo con protones y electrones. Tomado de Áreas Ciencias.

Conclusión de la Primera parte.

Hasta aquí encontramos que inicialmente fue el razonamiento puro, sin contar con elementos tecnológicos, el que sentó la base de la descripción de los componentes de la materia.

La razón y un poco de matemáticas, hicieron que los griegos avanzaran en este contexto.

Hasta el siglo XVIII, con el inicio de la revolución en el pensamiento, que se fundamentó en el reconocimiento de la ignorancia que había sobre todos los temas inherentes a la humanidad, nació la ciencia. 

Un pensamiento distanciado de la tradición, de lo que se mantenía intocable al amparo del: “así debe ser, Dios lo hizo de esta manera.”

Entonces todo fue examinado, bajo una nueva perspectiva, y con ello arrancó la época contemporánea, aquella en la que Europa se convirtió en el líder en los avances científicos, sitio que nunca había ocupado. Inglaterra, Alemania, Francia, Italia, Países Bajos, Rusia en primera instancia tuvieron en sus científicos las mejores ideas y formas de comprobarlas. 

La Libertad guiando al Pueblo. Eugène Delacroix, tomada de Historia Universal

Los capitales necesarios para el desarrollo científico de las ideas, surgieron en estos sistemas económicos, basados en la situación política que instrumentaron en el mundo.

América recién despertaba del colonialismo, España y Portugal dejaron de ser lo que habían sido y quedaron atrás.

El historiador Yuval Noah Harari (24 de febrero de 1976) en su libro “De animales a dioses” (Una breve historia de la humanidad), declara la importancia que para el desarrollo científico tuvo el matrimonio de la ciencia con el capital. Lo que creo es aplicable para explicar lo sucedido a partir del siglo XVIII y subsecuentes.