¿Cómo descubrimos que los átomos existen?
Paul M. Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio, presentador de «Ask a Spaceman» y «Space Radio», y autor de «Your Place in the Universe» (Prometheus Books, 2018). Sutter contribuyó con este artículo a las Voces expertas de Space.com: Op-Ed & Insights.
En 1808, el químico John Dalton desarrolló un argumento muy persuasivo que le llevó a una realización sorprendente: Tal vez toda la materia (es decir, las cosas, los objetos) está hecha de pequeños, diminutos bits. Bits fundamentales. Bits indivisibles. Bits atómicos. Átomos.
El concepto había estado flotando de vez en cuando durante algunos milenios. Las culturas antiguas eran ciertamente conscientes de la idea general de que la materia estaba compuesta por más elementos fundamentales (aunque discrepaban bastante sobre lo que contaba exactamente como elemento) y sabían que estos elementos se combinaban de maneras interesantes y fructíferas para hacer cosas complejas, como sillas y cerveza. Pero a lo largo de esos milenios, la pregunta persistía: si aislaba un solo elemento y lo cortaba por la mitad, luego cortaba esas mitades por la mitad, y así sucesivamente, ¿encontraría finalmente un trozo de elemento lo más pequeño posible que ya no podría cortar? ¿O seguiría hasta el infinito?
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Tras años de cuidadoso examen, Dalton encontró una sorprendente relación entre los elementos. A veces, dos elementos pueden combinarse para formar varios compuestos de múltiples maneras con diferentes proporciones, como pueden hacer el estaño y el oxígeno. Pero las proporciones de cada elemento en las distintas combinaciones siempre se reducían a números muy pequeños. Si la materia fuera infinitamente divisible, sin un trozo mínimo posible, entonces debería permitirse cualquier proporción.
En cambio, encontró que una determinada cantidad de un elemento podía combinarse con una cantidad igual de otro elemento. O con el doble o el triple del otro elemento. Dalton sólo encontró proporciones simples, en todas partes, en todos los casos. Si la materia era, en última instancia, indivisible, si estaba hecha de átomos, entonces sólo se permitirían proporciones y relaciones simples al combinar elementos.
Masasas de témpanos
Cien años después, esta teoría «atómica» de la materia no parecía completamente disparatada. Sin embargo, una de las cosas más desafiantes de la misma era que si los átomos realmente existían, eran demasiado, demasiado pequeños para verlos. ¿Cómo se podía demostrar la existencia de algo que no se podía observar directamente?
Una pista sobre la existencia de los átomos vino de los recién establecidos estudios de termodinámica. Para entender cómo funcionaban los motores térmicos -junto con todos los conceptos que los acompañan, como la temperatura, la presión y la entropía- los físicos se dieron cuenta de que podían ver los gases y los fluidos como si estuvieran compuestos por una cantidad casi innumerable de partículas diminutas, incluso microscópicas. Por ejemplo, la «temperatura» mide realmente el movimiento medio de todas esas partículas de gas que chocan contra su termómetro, transfiriéndole su energía.
Esto era bastante convincente, y Albert Einstein era un gran fan de este tipo de física. Al igual que el resto de la física de la que se hizo fan, Einstein las revolucionó.
Le interesaba, en particular, el problema del movimiento browniano, descrito por primera vez en 1827 por Robert Brown (de ahí el nombre). Si dejas caer un grano grande dentro de un fluido, el objeto tiende a contonearse y a dar saltos completamente solo. Y tras unos cuantos experimentos cuidadosamente ejecutados, Brown se dio cuenta de que esto no tiene nada que ver con las corrientes de aire o de fluidos.
El movimiento browniano era uno de esos hechos aleatorios inexplicables de la vida, pero Einstein vio en ello una pista. Al tratar el fluido como algo compuesto de átomos, pudo derivar una fórmula para saber cuánto las innumerables colisiones de las partículas del fluido empujarían ese grano. Y al poner esta conexión en un terreno matemático sólido, fue capaz de proporcionar una vía para pasar de algo que se puede ver (cuánto se mueve el grano en un tiempo determinado) a algo que no se puede ver (la masa de las partículas del fluido).
En otras palabras, Einstein nos dio una forma de pesar un átomo.
Estos «estados unidos»
Y justo cuando la gente se estaba sintiendo cómoda con el tamaño de estos minúsculos bocados de materia, pensando que tenían que ser las cosas más pequeñas posibles, llegó alguien a complicarlo.
Operando en paralelo con Einstein había un experimentalista maravillosamente dotado llamado J.J. Thomson. A finales del siglo XIX, se embelesó con unos fantasmales haces de luz conocidos como rayos catódicos. Si se colocan un par de electrodos dentro de un tubo de vidrio, se aspira todo el aire del tubo y se aumenta el voltaje de los electrodos, se obtiene un brillo efervescente que parece emanar de uno de los electrodos, el cátodo, para ser exactos. De ahí, los rayos catódicos.
Este fenómeno planteó preguntas a los físicos. Qué era lo que provocaba el resplandor? ¿Cómo se relacionaban las cargas -que, en aquel momento, se sabía que estaban vinculadas al concepto de electricidad, pero que eran un misterio- con ese resplandor? Thomson descifró el código a) fabricando el mejor tubo de vacío que jamás se haya tenido y b) metiendo todo el aparato en campos eléctricos y magnéticos superfuertes. Si las cargas estaban involucradas de alguna manera en este asunto de los rayos catódicos, entonces es mejor creer que escucharían esos campos.
Y escucharon. El rayo catódico se doblaba bajo la influencia de los campos eléctricos y magnéticos. ¡Fascinante! Eso significaba que la parte brillante estaba conectada a las cargas mismas; si la luz estaba de alguna manera separada de las cargas, entonces navegaría directamente a través de ellas, independientemente de la interferencia del campo. Y también significaba que los rayos catódicos estaban hechos de la misma materia que la electricidad.
Al comparar la cantidad de desviación de los rayos en los campos eléctricos frente a los campos magnéticos, Thomson pudo derivar algunas matemáticas y calcular algunas propiedades de estas cargas. Y aquí es donde J.J. ganó su Premio Nobel: Estos «corpúsculos» (su palabra) eran unas 2.000 veces más pequeños que el hidrógeno, el elemento más ligero conocido y, por tanto, el átomo más pequeño. Estos «electrones» (palabra de todos los demás) eran realmente notables.
Plata y oro
A la siguiente generación de científicos le correspondió resolver los enigmas que planteaban los resultados de Thomson. El más importante: ¿Cómo puede algo ser más pequeño que un átomo, y qué significa eso para la estructura de los propios átomos?
Fue el propio ex alumno de Thomson, Ernest Rutherford, junto con sus propios estudiantes Hans Geiger y Ernest Marsden, quienes decidieron disparar cosas al oro para ver qué pasaba. Los científicos eligieron el oro porque podían hacer láminas muy finas del material, lo que significaba que la pandilla podía estar segura de que estaban probando la física atómica. Y dispararon balas muy pequeñas: partículas alfa, que son átomos cargados de helio. Estas partículas son pequeñas, pesadas y rápidas: las balas científicas perfectas.
Mientras los investigadores practicaban el tiro al blanco, la mayoría de las partículas alfa atravesaban el oro como si fuera papel de seda. Pero de vez en cuando, las partículas salían disparadas en una dirección aleatoria. Y de vez en cuando (aproximadamente 1 de cada 20.000 disparos, y sí, los científicos lo contaron manualmente), una partícula alfa rebotaba en el oro y volvía de golpe por donde había venido.
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¡Asombroso! Qué nos decían estas pequeñas partículas sobre los átomos de oro? La única explicación que tenía sentido, concluyeron los investigadores, era que la gran mayoría de la masa del átomo estaba concentrada en un volumen muy pequeño. Y este «núcleo» debía estar cargado positivamente. Como la carga total del átomo tenía que ser neutra, entonces los electrones debían ser muy muy pequeños y estar nadando, orbitando o bailando alrededor de ese núcleo en una nube suelta.
Así que, cuando las partículas alfa se abren paso, casi siempre se encuentran con un espacio vacío. Sin embargo, una partícula con muy mala suerte podía rebotar -o, peor aún, chocar de frente- con el núcleo, alterando drásticamente la trayectoria de la bala.
Así, casi cien años después de que Dalton defendiera de forma concluyente la existencia del átomo indivisible, y al mismo tiempo que Einstein proporcionaba una forma de medir directamente esos átomos, Thomson y Rutherford descubrieron que el átomo no era indivisible en absoluto. En cambio, estaba hecho de trozos aún más pequeños.
Así que, al mismo tiempo que consolidamos la teoría atómica, tuvimos nuestro primer contacto con el mundo subatómico. A partir de ahí, la cosa se complicó mucho más.
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Aprenda más escuchando el episodio «¿Cómo descubrimos que las cosas están hechas de átomos?» en el podcast «Ask a Spaceman», disponible en iTunes y en la web en http://www.askaspaceman.com. Gracias a Bill S. por las preguntas que dieron lugar a este artículo. Haz tu propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síguenos en Twitter @Spacedotcom y en Facebook.
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