Universidad Distrital Francisco José de Caldas

La historia de la evolución atómica

Desde la antigüedad (aproximadamente el siglo V a.C.), los filósofos griegos se inquietaban por saber de qué estaba hecha la naturaleza, algunos pensaban, que el origen de todas las cosas se daba sólo a un principio (unidad originaria) en cambio otros pensaban que se debía a un conjunto de principios (pluralidad originaria), por ejemplo, respecto al primer caso, Tales de Mileto afirmaba que el principio del origen de todo era el agua, debido a su gran abundancia en la naturaleza y a la importancia vital para la misma; para Heráclito era el fuego, ya que era el principio que mejor se acoplaba al constante cambio que él postulaba; para Anaxímenes el aire, debido a que lo consideraba como un elemento infinito, móvil, eterno y del cual todo surge y al cual todo retorna, donde el origen del todo por medio del aire lo explicaba por dos procesos: rarificación (cuando el aire se rarifica es transforma en fuego), y condensación (cuando el aire se condensa, se convierte en viento, nubes, agua, tierra o piedras); para Jenófanes la tierra: “de la tierra nacen todas las cosas, y en la tierra terminan todas”, que mezclada con agua, daba lugar al barro (o fango), que era el verdadero principio que le daba origen a los seres vivos. Por otro lado, Parménides había demostrado que la realidad no provenía de la no-realidad, ni la pluralidad de la unidad originaria; basándose en esto, el filósofo natural Empédocles, decía que el origen del todo no provenía de sólo una unidad originaria, sino de cuatro substancias elementales (o principios fundamentales) –es decir, una pluralidad originaria-, postulando así su teoría de las cuatro raíces. Donde el fuego representaba a Zeús, el aire a Hera, la tierra a Edoneo y el agua a Netis, y que a diferencia de los principios jónicos (que se transformaban cualitativamente, convirtiéndose en todas las cosas) éstos permanecen cualitativamente inalterados, afirmando así, que son originarios e inmutables (preparando la noción de “elemento”), y lo que produce el cambio se debe a las fuerzas cósmicas: amor (principio motor que une) y odio (principio motor que desune), diciendo que cuando predomina el amor, se genera una pura y perfecta esfera toda ella igual e infinita, y que cuando lo hace el odio, este comienza a deshacer toda la armonía hasta la separación completa del caos; donde el amor vuelve y une lo desunió el odio, y así da lugar a un ciclo que es el origen de las diversas manifestaciones del cosmos. Afirmando a su vez, que estas substancias existieron desde siempre, y que entre sí llenarían la totalidad del espacio y no dejarían lugar para el vacío.

Teoría en la que se basó Aristóteles para dar origen a su teoría de los cuatro elementos. Aristóteles decía, que la experiencia sensorial era el mejor camino para conocer al mundo, por ello escogió cuatro cualidades sensibles: caliente, frio, húmedo y seco, organizándolos en parejas (exceptuando sus opuestos: caliente-frio y húmedo-seco) para dar origen a los cuatro elementos (agua, tierra, aire y fuego). Por ejemplo cuando él nombraba “agua” se refería a cualquier substancia que sensorialmente produjera frío – húmedo, cuando nombraba “aire”, era a cualquier substancia que produjera sensorialmente húmedo-caliente; cuando era al “fuego” al calor-sequedad; y por último a la tierra, al frío-sequedad.

Fig. 1 Teoría de los cuatro elementos de Aristóteles.

Basándose en esto, se empezó a pensar si la materia podría ser divisible de manera finita o infinita, es por esto que surgieron los dos grandes postulados de la época, el de Aristóteles que declaraba que la materia era divisible infinitamente, afirmando que la materia es continua, y por tanto no debía existir el vacío (como creían sus antepasados); y el de Demócrito (basado en su maestro Leucipo), que postulaba que la materia era divisible finitamente, ya que llegará a un punto donde no se pueda dividir más; y a éstas partículas indivisibles las denominó: átomos (debido a su significado en griego: “sin corte”) –similar a las partículas elementales que Anaxágoras había propuesto: “homeomerías”-; concluyendo así, que la materia es discontinua, y que según él: “lo único que existe son los átomos y el vacío”; dando origen al atomismo.

Con este último postulado, fue que Demócrito junto a su maestro Leucipo, enseñaba la discontinuidad de la materia: formada por átomos (el ser) y de vacío (el no ser); donde el vacío era el resultado de los intersticios entre los átomos, que le permitían su movimiento. Este atomismo de Demócrito (como se conoce generalmente, aunque en realidad debería ser el atomismo de Demócrito-Leucipo), consideraba al átomo como una partícula indestructible, desprovista de cualidades y sin diferencias entre sí, más por su forma y dimensión. Donde las distintas combinaciones de éstos en el vacío, daban lugar a los diversos cuerpos del universo. Reduciendo así, las propiedades sensoriales de las cosas (como lo describía Aristóteles) a las diferencias cuantitativas de los átomos.

Este atomismo, que fue recogido por el romano Lucrecio en su poema De Rerum Natura, como estuvo basado solo en conceptos filosóficos, más no experimentales, hizo que perdiera fuerza, y junto a la gran y poderosa influencia que poesía Aristóteles sobre el pensamiento occidental (que decía que era imposible que existiera la “nada” como afirmaban Demócrito y Leucipo), hicieron que esta teoría fuera abolida, y por lo tanto, el concepto de átomo suprimido por más de 2000 años. Concepto que hasta en 1677 Boyle lo establece y Dalton en 1803 lo desarrolla como resultado de observaciones científicas.

Es importante aclarar, que la intención de estos filósofos griegos, no era la de saber la estructura interna de la materia, sino su cambio y permanencia, ya que a ellos lo que realmente les intrigaba, era el hecho de que las cosas cambiaran constantemente y que no dejaran de ser las mismas: «como el ser humano que ha cambiado desde que nace, pero que sigue siendo el mismo». Por lo tanto, estos atomistas griegos postularon que en el Universo hay algo que siempre permanece: el átomo, y que los cambios y transformaciones se deben a las combinaciones entre éstos. Postulados que a pesar de la fuerte oposición de Aristóteles, fueron mantenidos por los filósofos medievales Guillermo de Conches (1080-1145)y Nicolás de Autrecourt (1299-1369), y dado a conocer al occidente en el poema de Lucrecio nombrado anteriormente, publicado por primera vez en 1475.

Por otro lado, cerca de dos mil años después, el joven italiano Galileo Galilei (1564-1652), retoma estas teorías científicas antiguas, descubriendo gracias a sus experimentos, que las propuestas por Aristóteles eran erróneas. Motivo por el cual, los científicos de la época optaron por creer únicamente en las teorías que fueran comprobadas experimentalmente. Logrando así, que en los siglos XVI y XVII se retomara la idea del atomismo, como se puede ver reflejado en el francés Pierre Gassendi (1592-1665), quien consideraba que el atomismo era la hipótesis más razonable, para la explicación de los fenómenos de la naturaleza. Y que cincuenta años después, el irlandés Robert Boyle (1627-1691) retomará (basándose en el corpuscularismo, el cual era una forma de atomismo, en el que se describe la realidad y el cambio en términos de partículas y sus movimientos) al suponer que el aire estaba compuesto por partículas minúsculas (átomos) que dejaban grandes vacíos entre ellas, y que al comprimirlas, significaría que las partículas se juntarían aún más, dejando menos espacio vacío entre las mismas, por lo que empezó a pensar que esta teoría que antiguamente Demócrito y Leucipo habían descrito, sí tenía sentido. Por lo que Boyle, gracias a sus experimentos ayudó a desmentir la teoría científica de Aristóteles, en la que se planteaba que los elementos eran tanto las sustancias más simples, como los componentes necesarios de toda la materia, estudios que se pueden ver reflejados en su libro “el químico escéptico”,1661). Y por otro lado ayudó a la verdadera noción de elemento, al darse cuenta que algunas sustancias eran el resultado de la combinación de otras más simples (como el bronce, que provenía de la fundición de zinc y cobre), donde razonó que éstos, estaban formados por “cuerpos simples, que no estaban hechos de otros cuerpos, los cuales mezclados formaban compuestos, y a los que se llegaba finalmente” descripción muy parecida a la actual, donde estos cuerpos simples son átomos; tema que desarrolló en su libro: “origen de las formas y las cualidades” (publicado en 1666); y en el cual sugiere que estos átomos pueden moverse libremente dentro de los fluidos, pero que se encuentran en reposo en los sólidos, y que sus formas son importantes para determinar las propiedades de los objetos materiales que componen.

Dichas aportaciones permitieron que se profundizara el proceso de descubrir, debatir y redescubrir aquellas respuestas a las inquietudes científicas, como se ejemplificaba en las obras de Lavoisier. Por ejemplo, descubrimientos como los de Cavendish (que encontró los componentes del agua) los de Priestley (que descubrió el oxígeno en el aire) y los de Lavoisier (que debido a sus estudios sobre la combustión, se dio cuenta que el fuego no era un elemento) hicieron que la teoría científica de Aristóteles fuera totalmente abolida, al comprobar experimentalmente que dichas sustancias sí podían separarse, perdiendo así su concepción como elemento. Por otro lao, gracias a la obtención de estos gases, incluyendo al nitrógeno (descubierto por Lavoisier) y al cloro (descubierto por Scheele) permitieron que los científicos pudieran estudiarlos por separado, y así explicar sus características. Por ejemplo, se observaba que cuando se hacía combinar el gas hidrógeno con el gas oxígeno, estos formaban agua líquida en una proporción de masa definida, dándose cuenta que para que el agua se forme, siempre se debían combinar un kilogramo de hidrógeno con ocho kilogramos de oxígeno, por lo que el agua siempre tenía la misma composición: ocho partes (en peso) de oxígeno y una (en peso) de hidrógeno. Y se observaba que este patrón sucedía con la formación demás sustancias, por ello es que intensificó en el estudio de las reacciones químicas, y sus resultados dieron lugar a las leyes químicas: que entre las principales se encuentran las leyes gravimétricas y las leyes volumétricas, que estudiaban las relaciones de masa y volumen respectivamente, entre las sustancias en las reacciones químicas.

Pero a pesar de ello surgían todavía muchas preguntas, sobre todo el hecho de saber cómo era que se combinaban los elementos para dar lugar a la sustancia resultante, a ésta pregunta fue John Dalton (1766-1844) quien dio la respuesta, diciendo que lo que sucede es una reorganización de átomos provenientes de cada sustancia en una proporción definida (basándose en la ley de las proporcione definidas de Proust), donde éstos ni se crean ni se destruyen (basándose en la ley de la conservación de la masa de Lavoisier). Pero para llegar a

ello, Dalton empezó primeramente a observar algunos elementos en el microscopio, como el oro y el cobre, y se daba cuenta que el oro tenía una forma cristalina igual en toda su extensión, así como el cobre, pero que la forma cristalina de estos dos variaba notablemente; por lo que para él una forma coherente de explicar este suceso, era basándose en las partículas que en la época de Demócrito y Leucipo denominarían “átomos”, suponiendo así, que cada elemento debía tener un tipo de átomos característico, diferente al de los demás elementos, conclusión que explicaba el hecho de las formas cristalinas diferentes para cada elemento. Por otro lado, respecto al dilema de la composición del agua, él dijo que entonces el agua debía estar compuesta tanto de átomos de hidrógeno como de átomos de oxígeno, pero no en cualquier proporción, sino en una proporción fija (basándose en la ley de Proust, publicada en 1799), en la que la razón de que ocho gramos de oxígeno siempre se combinaran con un gramo de hidrógeno, se debía a que ocho gramos de oxígeno debía contener la misma cantidad de átomos que un gramo de hidrógeno; por lo tanto, Dalton concluyó que el agua está compuesta de un número incalculable de átomos dobles (OH): un átomo de hidrógeno combinado con uno de oxígeno, siendo éste último ocho veces más pesado que cada átomo de hidrógeno. Anexo: [Que luego en 1811, Amadeo Avogadro (basándose en la ley de boyle, que afirmaba que a T cte. la P es inversamente proporcional al V), profundizará este descubrimiento de Dalton, donde dedujo que si se encerraba a dos gases (en este caso hidrógeno y oxígeno) por separado, a una misma temperatura y presión, debía cada tubo contener el mismo número de partículas de cada gas, de esta manera fue que estableció el peso atómico del hidrógeno y oxígeno, afirmando que el oxígeno pesa 16 veces más que el hidrógeno, y que para hacer agua, se necesitan ocho veces más de oxígeno, en peso, que de hidrógeno, es decir, que cada dos átomos de hidrógeno se debían unir a un átomo de oxígeno, que luego de haber establecido la nomenclatura actual, Avogadro estableció que el agua debía representares como H2O, no como Dalton había dicho anteriormente: OH; y que más adelante Avogadro a este conjunto de átomos denominaría moléculas (o “pequeñas masas”)]. Por otro lado, estas ideas de Dalton fueron las que le permitieron (en 1808) publicar su teoría atómica, la cual revolucionaría de forma definitiva la ciencia de la época, dejando a un lado así, la creencia en la ciencia aristotélica.

Donde sus postulados fueron:

1. Toda la materia está constituida por átomos, que son pequeñas partículas indivisibles de un elemento que no pueden crearse ni destruirse.

El cual se deriva de «los eternos átomos indestructibles» de Demócrito 2000 años antes, y se ajusta a la conservación de la masa de Lavoisier (publicado en 1789).

2. Los átomos de un elemento no pueden transformarse en átomos de otro elemento. En Las reacciones químicas, las sustancias originales se separan en átomos, que se recombinan para formar diferentes sustancias

El cual rechaza la creencia alquimista de la trasmutación de los elementos.

3. Los átomos de un elemento son idénticos en masa y otras propiedades y son diferentes de los átomos de cualquier otro elemento.

El cual contiene las ideas nuevas fundamentales de Dalton: masa única y propiedades para todos los átomos de un elemento dado.

4. Los compuestos resultan de la combinación química de una proporción específica de átomos de diferentes elementos.

El cual se adecúa correctamente a la ley proporciones definidas de Proust.

Por otro lado, el hecho de que los postulados de Dalton tuvieran tanto auge, fue el correcto acople que tuvo con las leyes de la masa postuladas hasta la época, acople que fue de la siguiente manera:

Ley de la conservación de la masa de Lavoisier: Los átomos no pueden crearse ni destruirse (postulado 1) o convertirse en otro tipo de átomos (postulado 2). Como cada átomo tiene una masa fija (postulado 3), en una reacción química, en la cual los átomos están sólo combinados de manera diferente unos con otros, no existe la posibilidad de un cambio en la masa.

Ley de las proporciones definidas de Proust: Un compuesto es una combinación de una proporción específica de diferentes átomos (postulado 4), cada uno de los cuales posee una masa particular (postulado 3). En consecuencia, cada elemento en un compuesto siempre constituye una fracción fija de la masa total.

Y que profundizando dicha ley de las proporciones definidas, el mismo Dalton planteó (en 1802):

Ley de las proporciones múltiples: Los átomos de un elemento tienen la misma masa (postulado 3) y son indivisibles (postulado 1). Porque diferentes números de B átomos se combinan con cada átomo A en diferentes compuestos, las masas del elemento B que se combinan con una masa fija de A, estarán dadas en pequeñas proporciones de números enteros.

Y basándose en esto, Dalton plantea el siguiente modelo atómico:

Fig. 2 a) Los átomos del elemento X son los mismos, pero son diferentes a los átomos del elemento Y. b) Después de la reacción química entre los átomos X y Y, hay un reordenamiento de átomos, sin su destrucción ni creación. En este caso, la proporción de los elementos X con respecto a la del elemento Y es de 2:1.

En el que el átomo lo representa como una esfera (ver figuras 2 y 3), y si se compara con el átomo de Demócrito, se observa, que después de veinticinco siglos, el átomo sigue siendo para ambos indestructible, increable e inmutable, con la diferencia de que Demócrito consideraba que todos los átomos eran iguales, mientras que Dalton plantea que hay diferentes clases de átomos.

Fig. 3 Representación de átomos y moléculas de Dalton, en su libro “A New system of chemical phylosophy”, publicado en 1808.

Hay que tener en cuenta, que Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Ni si quiera tenía idea de cómo era un átomo, pero se dio cuenta de que la diferencia de las propiedades mostradas por elementos como hidrógeno y el oxígeno, se podría explicar sólo si se suponía que los átomos de hidrógeno eran diferentes a los átomos de oxígeno.

Por otro lado, a pesar de que los postulados de Dalton se acoplaran coherentemente a las leyes de la masa (que lógicamente Dalton planteó su teoría con ésa intención), estos no fueron del todo aceptados hasta finales del siglo XIX, donde ya se obtuvieron pruebas físicas de la existencia de los átomos, pero que a su vez, estos resultados marcaron el principio del declive de la teoría de Dalton, debido a que primeramente indujeron a la sospecha y luego a su confirmación, de que el átomo era una entidad compleja, y no simple e indivisible como lo describía Dalton.

Por ejemplo, el personaje más destacado en pensar y defender la complejidad del átomo, fue Prout, que en 1815 (basándose en los pesos atómicos determinados hasta la época) sugirió que todos los átomos están formados por un conjunto de átomos de hidrógeno, y si ello era cierto, todas las masas atómicas deberían ser múltiplos enteros de la masa atómica del hidrógeno; hecho que fue desmentido por Berzelius, al encontrar una determinación precisa de las masas atómicas. Y que a pesar de ello (del fracaso de la hipótesis de Prout) algunos investigadores de la época permanecieron con la idea de la complejidad del átomo. Como se puede ver reflejado en los trabajos de Michael Faraday en 1832-33 y en la publicación de la clasificación periódica de los elementos de Dimitri Mendeleiev y de Lothar Meyer, en 1869, que contribuyeron a la hipótesis de dicha complejidad atómica. Contribuciones que fueron de la siguiente manera: en el primer caso, estos trabajos de Faraday (basados en los experimentos de Humphrey David sobre la descomposición de las sustancias por la acción de la corriente eléctrica), pusieron de manifiesto la naturaleza eléctrica del átomo y a la conversión de la energía eléctrica-química; donde tomó ciertas sustancias eléctricamente neutras, y se dio cuenta que al disolverlas, éstas conducían la corriente eléctrica, por lo que empezó a pensar que en esa disolución se debieron haber formado cargas eléctricas móviles, o partículas cargadas, las cuales sólo pudieron formarse a partir de los “átomos” que hacían parte de dichas sustancias. Que más adelante los estudios de George Stoney basado en el trabajo de Faraday, lo condujo a sugerir en 1874 que había unidades de carga eléctrica asociadas a los átomos, que luego sugeriría la denominación “electrones”. Por otro lado, en el segundo caso (en la clasificación periódica de los elementos), los elementos hasta ésa época conocidos fueron organizados por orden creciente de sus pesos atómicos, descubriendo así, que las propiedades se repetían periódicamente; por ello sugiere que en los “átomos” debe existir alguna razón, por la que haya una repetición periódica, cada cierto número de elementos.

Estas pruebas dieron el convencimiento de que el átomo era una entidad de estructura compleja, a pesar de no tener los fundamentos científicos suficientes. Argumentos que se encontraron en el descubrimiento de los rayos X (por Roentgen, en 1895), de la radiactividad natural (por Becquerel, en 1896), y del electrón (por Thomson, en 1897).

Con la aparición de los tubos de Crookes (precursor de los tubos de rayos catódicos) en la década de 1870, muchos de los científicos de la época empezaron a interesarse en los efectos que producían. Este tubo consistía en un tubo de descarga de baja presión, en el que se ubica el cátodo en uno de sus extremos (disco de aluminio) y en uno de sus lados el ánodo (alambre), y que esto conectado a una fuente eléctrica (más o menos igual a la bobina que alimenta a las bujías en el motor de un auto), daba lugar a la emisión de un rayo de luz del cátodo al ánodo, (he ahí el nombre de rayos catódicos) comprobado por la cruz de malta que indicaba el sentido de dicho rayo).

Fig. 4 Tubo de Crookes.

Basado en esto, el alemán Wilhelm Roentgen (1845-1893), el 8 de Noviembre de 1895 se encontraba experimentando con descargas eléctricas en un tubo de vidrio con el fin de evitar la fluorescencia violeta que producía en los mismos. Donde observó algo sorprendente, algo que evolucionaría la química de forma impactante.

En ése día, Roentgen con el fin ya nombrado, crea un ambiente oscuro donde hace pasar una corriente eléctrica a través del tubo (que previamente ya había puesto al vacío), envuelto en un papel negro, y de pronto observó un pequeño resplandor en el otro extremo del laboratorio. Era una luz, y se dio cuenta que si interrumpía la corriente, dicho resplandor desaparecía; y si dejaba pasar la corriente de nuevo, la solución volvía a brillar en la oscuridad. Era una época en la que los científicos se maravillaban ante todos los sucesos de la electricidad, pero donde estos tubos no eran una novedad, ya que casi todos los físicos estaban acostumbrados a trabajar con ellos; lo sorprendente e innovador del experimento, era que este rayo atravesaba las paredes del tubo (y no se quedaban en él, como debería esperarse), y que la emisión vista provenía de una solución de cristales de platinocianuro de bario, que se encontraba envuelto en cartón ubicado sobre una mesa a unos cuantos metros del tubo. Por ello, Roentgen intrigado por lo que observaba, alejó aún más esta solución del tubo de descarga, dándose cuenta que seguía emitiendo una fluorescencia. Realizando una y otra vez este experimento, Roentgen pudo deducir que estos rayos eran muy penetrantes (pero invisibles), ya que atravesaban tanto las paredes del vidrio, como grandes capas de papel y madera, incluso a hasta loe metales menos densos que el plomo, rayos que se propagaban en línea recta y que no se desviaban por la acción de un campo eléctrico o magnético (además que electrizaban el aire), donde dedujo también que estos deben tener la energía suficiente como para hacer brillar al compuesto nombrado.

Aunque Roentgen no lo sabía (y no podría saberlo), este suceso ya había ocurrido otras veces; como por ejemplo, poco tiempo antes de eso, en 1894, el físico inglés Joseph Thomson (quien más adelante descubriría el electrón) vio también un resplandor a unos metros del tubo, pero no le prestó atención. Así mismo, el físico de Oxford Frederick Smith, al experimentar con estos pero no le dio importancia al suceso, limitándose a decirle a su asistente que simplemente las cambiara de lugar. En cambio, Roentgen sí se interesó por estos fenómenos, ya que se puso de inmediato a examinar la naturaleza de ese resplandor; convenciéndose de que indudablemente algo extraño salía del tubo, que era capaz de atravesar el papel oscuro que lo cubría, y que de alguna manera, excitaba los átomos del compuesto de bario.

En diciembre de 1895, publicó los resultados de sus experimentos, cuando un haz de rayos catódicos (que como Thomson demostraría poco después, que se trabaja de un chorro de electrones) choca con la pared de vidrio de un tubo de descarga, la cual florecía y emitía una radiación con propiedades sorprendentes. Por otro lado, debido a inexplicable penetración de los rayos, Roentgen no paró ahí, y siguió experimentando con más materiales, allí fue donde descubrió que los materiales que eran incididos por estos rayos, se impregnaban en placas fotográficas, dejando su “huella” marcada en la misma. Por ejemplo, empezó a experimentar con una caja de madera con unas pesas en su interior, donde los rayos atravesaban la madera, y de alguna manera, impresionaba la imagen de las pesas en la placa fotográfica, así mismo lo hizo con una brújula y una escopeta. Intrigado por el suceso, quiso realizar el experimento ubicándose en el cuarto de al lado, cerró la puerta y colocó la placa fotográfica; increíblemente en ella se obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta, e incluso los trozos de la pintura que la cubría. Más intrigado aún por la sorprendente penetrabilidad de estos rayos, quiso intentarlo con el cuerpo humano, diciéndole a su esposa (Berta) que colocara su mano entre los rayos y la placa (él no lo hizo porque no podía manejar el carrete y a su vez colocar su mano), y se dio cuenta que estos rayos habían atravesado los tejidos blandos del cuerpo (piel y músculos) pero no los tejidos duros (huesos), quedando en la placa la imagen de los huesos de la mano de su esposa, junto con el anillo de matrimonio que tenía en su dedo anular. Obteniendo así la primera radiografía del cuerpo humano.

Fig. 5 Radiografía tomada por Wilhelm Röntgen en 1896.

Debido a su extraña naturaleza, Roentgen quiso llamarlos “Rayos X”, ya que la X que simboliza una incógni, precisamente era lo que él pensaba, ya que no sabía en realidad que eran, haciendo sólo una suposición de que posiblemente estos rayos son análogos a los de la luz, pero mucho más energéticos. Enuncio estos experimentos el 28 de diciembre de 1895, y ya para en enero de 1896 se expandió por todo el mundo. El 20 de enero, en una de las reuniones de la academia de ciencias francesa, Henri Poincaré (1854,1912) mostró las primeras

fotografías con rayos X que había realizado Roentgen, y uno de los científicos presentes tuvo la intención de seguir indagando sobre este suceso, su nombre es Henri Becquerel (1852-1908), el cual se preguntaba si habían otras sustancias también fluorescentes capaces de producir rayos X, ¿por qué no probar con un compuesto de uranio? ¿Por qué no el uranio? Se preguntaba, sin darse cuenta que haría uno de los descubrimientos más trascendentales en la ciencia.

Luego de haber escuchado hablar de los rayos X en dicha reunión, rápidamente empezó a experimentar con varias sustancias fluorescentes para ver si ellas también emitían rayos X, fue así que expuso diversos compuestos envueltos a la luz solar sobre una placa fotográfica. Para él la idea era simple, el sol estimularía la fluorescencia de las sustancias haciéndolas emitir rayos X, que a su vez se impresionarían en la placa. A pesar de ello, el sol no siempre brilla en París, haciéndolo trabajar durante diez días sin ningún éxito, hasta que decidió probar con una sal de uranio no muy común: el sulfato doble de uranilo y de potasio. La expuso al sol en el marco de su ventana, y esta vez sí encontró que la placa se había ennegrecido. Así fue que Becquerel pensó que el uranio emitía rayos X, pero que según él, desafortunadamente no siguió saliendo el sol en París, teniendo que guardar su muestra durante otros diez días, las cuales reposaban en un cajón. Pero lo que vendría más adelante sería lo más sorprendente del asunto, y es que el 1ro de marzo al salir el sol de nuevo, sacó su muestra para continuar con su experimento, lo que esperaba ver los débiles restos de fluorescencia, pero para su sorpresa no los vio, allí había una imagen nítida. Por ello fue que pensó que la radiación que había impresionado a la placa no podría provenir de la fluorescencia (ya que se encontraba en la oscuridad de un cajón cerrado, sin posibilidades de producirla) ni tampoco de los rayos X presuntamente derivados de aquella. ¿Y entonces qué era? Se preguntaba Becquerel, llegando a la conclusión de que lo que había velado la placa era un nuevo tipo de radiación., algo nuevo, algo distinto, una radiación que no podría provenir sino del propio compuesto de uranio. Que a Diferencia de os rayos X, estos se generaban de manera espontánea.

Así fue que publico el 2 de marzo de 1896 sus experimentos en la Academia de ciencias. Donde se darían a conocer esta nueva radiación planteada por Becquerel, a la cual Marie Curie (1867-1934) llamaría después radiactividad (emisión espontánea de partículas o radiación).

Marie Stlodovska (que al contraer matrimonio con Pierre Curie el 26 de julio 1895, se convertiría en Marie Curie), fue desde niña una mujer con escasos recursos económicos, aunque con un emprendimiento formidable. A pesar de la muerte de su madre en su infancia,

su padre (Władysław Skłodowski) un gran profesor de física, le enseño desde muy joven la educación científica, y que tras largas penurias pudo llegar a Paris donde avanzaría sus estudios. Una vez casada con el físico Francés Pierre Curie, y en el contexto de los rayos X de Roentgen y el descubrimiento de una nueva radiación por Becquerel, ella con la intención de buscar una tesis que valiera la pena, quiso seguir con los estudios de Becquerel, preguntándose si esa nueva radiación que él planteaba, ¿era única del uranio? O si había mas sustancias que podrían presentarla. Para ello, empezó estudiando las propiedades de los rayos de uranio, pero en vez de detectarlos mediante el ennegrecimiento de placas fotográficas, como lo había hecho Becquerel, pensaba medir los rayos mediante la curiosa capacidad que tenían para descargar cuerpos cargados eléctricamente. Era como si los rayos se las arreglaran para transformar el aire que atravesaban de aislador a conductor, y en ese efecto vio María Curie la posibilidad de calcular su intensidad. Para ello, necesitaba medir corrientes muy débiles y que gracias a la invención del electrómetro (diseñado por Pierre Curie y su hermano Jacques) pudo conseguir resultados contundentes.

Así fue que descubrió que el torio (elemento 90 de la tabla periódica) emitía una radiación similar a la de uranio, lo que la hacía pensar que se trataba de una habilidad particular y exclusiva del uranio, sino de un fenómeno más general. Por lo que María se empezó a preguntar de ¿cómo llamar a dicha radiación?, eligiendo un nombre que rompería fronteras: “radiactividad”

Aún así María no paró ahí, y siguió investigando sustancias que presentaran lo que había denominado como radiactividad, así fue que descubrió que la pecblenda presentaba una gran radiactividad. Era cierto que esta estaba compuesta de uranio, pero increíblemente presentaba una emisión más intensa que la del uranio, así fue que la llevo a pensar que este aumento de emisión se debía a que la Pecblenda debería contener otra sustancia, con estas mismas características. Sustancia que no podía ser ninguna de los elementos postulados hasta la época de la tabla periódica, por lo que tenía que ser un elemento nuevo, que debería ser insertado en los espacios vacíos que había planteado la tabla del ruso Dimitri Mendeléiev. El cual debía ser aislado, y aquí fue cuando su marido Pierre Curie se le unió a sus investigaciones, abandonando las de él mismo.

Para conseguir fragmentos de Pecblenda, los Curie gestionaron ante el gobierno austriago un envió de rezagos de la mina de Joachimstahl. Más adelante el primer transporte de desechos radiactivos llegaría a el laboratorio de los Curie. Allí ellos tuvieron que moler, disolver, precipitar, filtrar, separar químicamente, volver a filtrar con sus propias manos, sin instrumentos que les ayudaran, más de una tonelada de pecblenda. Finalmente, en julio de 1898 pudieron aislar un nuevo elemento, radiactivo, el cual denominarían “polonio” en honor al país de origen de María. Aún así una vez separado de la pecblenda, ésta seguía teniendo propiedades de reactividad, lo que los conllevó a pensar que habría mas sustancias con estas características. Fue así como los Curie descubrieron el Radio, en 1898, una sustancia novecientas veces más radiactiva que el uranio.

Por lo que estas sustancias radiactivas, confirmaron el hecho de que la radiación era un terreno mucho más vasto de lo que parecía al principio y era una característica que compartían muchos elementos químicos; como se puede evidenciar, en el descubrimiento del actinio (por André Louis Debierne) y el gas radiactivo radón.

Esto permitía saber que el átomo presentaba una complejidad mucho mayor de lo que se pensó al principio, motivando a los científicos de la época, al explicar el átomo desde una perspectiva más interna.

En ésa época, aproximadamente en 1896, Joseph John Thomson había estado estudiado con mayor profundidad la naturaleza de los rayos catódicos, confirmando la creencia de que estos viajaban en línea recta desde el cátodo hacia el ánodo, y que poseían una energía que permitía darle fluorescencia a la pantalla del vidrio, que era cubierta básicamente de sulfuro de cinc. A parte de confirmar lo de la cruz de malta, que permitía predecir la dirección de estos rayos, se empezó a pensar que como estos rayos se dirigían al ánodo (carga positiva) estos deberían estar cargados negativamente para cumplir dicha atracción, sabiendo que Thomson era un científico interesado en el electromagnetismo. Además de esto, el podía observar la desviación del rayo al acercársele un imán, lo que conllevaba a pensar que tenía propiedades

magnéticas. y que estos rayos poseían masa, debido a que el dentro del tubo colocaba una rueda de paletas susceptible al movimiento, dándose cuenta que esta emisión de rayos hacía mover dicha rueda.

Fig. 6 Tubos de rayos catódicos. A) Emisión de los rayos catódicos a través del colimador. B) con la ayuda de la cruz de malta se definía la dirección de dichos rayos. C) Con la ayuda de la rueda de paletas, se comprobaba que contenían masa. D) Eran desviados por campos magnéticos.

Profundizando mas el tema, el observaba que al acercarle un campo eléctrico al sistema (rayos catódicos), estos se desviaban hacia puntos en específico, como se puede observar en el siguiente grafico, así mismo al acercarle un campo magnético. Llegando así las siguientes conclusiones:

Fig. 7 Cuando le acercaba sólo el campo eléctrico, estos rayos se desviaban dirigiéndose hacia el punto C, lo que conlleva a pensar que están electrificados negativamente. Así mismo cuando se le acercaba un campo magnético, estos se dirigían hacia el punto A (donde la S y la N denotan el polo norte y sur del imán), lo que conlleva a pensar que posen naturaleza magnética, y por último, cuando se acercaban los dos campos, estos rayos se dirigían en línea recta, directamente hacia el punto B.

Basándose en estos experimentos, fue que Thomson dedujo que estos rayos deberían ser unos “courpúsculos” característicos de los átomos, que poseen carga negativa. Así fue como más adelante, pudo relacionar la carga eléctrica y la masa del corpúsculo, obteniendo un valor de -1.76*108 C/g, en donde C corresponde a couloumbs (unidad de carga eléctrica). A este corpúsculo de Thomson, George Johnstone Stoney (18261911) lo denominó electrón, debido a que lo consideraba como una unidad de carga en la electroquímica. Basado en esto, más adelante, entre los años 1908-1917, Robert Milikan fue quien pudo determinar la carga del electrón con gran precisión. Gracias a su famoso experimento de la gota de aceite:

Fig. 8 Experimento de la gota de aceite por Robert Milikan.

Milikan analizó el movimiento de las minúsculas gotas de aceite que adquirirán carga estática a partir de los iones del aire, regulando el campo eléctrico generado por las dos placas, pudo determinar la carga del electrón, dándole como resultado un valor de -1.6022*10 -19C. Por lo que a partir de estos datos calculo la masa del electrón, dándole un valor de 9.10*10-28g.

Teniendo en cuenta que este experimento de Milikan fue mucho después, a principios del siglo XX, Thomson llegó a la conclusión de que los átomos, como contienen electrones y son eléctricamente neutros, estos deberían contener el mismo número de cargas positivas y negativas. Por lo que Thomson supuso que el átomo podría visualizarse como una esfera uniforme de carga positiva, donde los electrones serán incrustados en su estructura (análogo a un budín de pasas). Este modelo más conocido como “budín de pasas” se aceptó como una teoría durante algunos años.

Fig. 9 Modelo atómico de Thomson: “budín de pasas”. Los electrones están insertos en una esfera uniforme con carga positiva.

Hay que tener en cuenta que como en esta época se encontraba en auge el descubrimiento de la radiactividad por Becquerel y los Curie, Ernest Rutherford (1871-1937) alumno de J.J. Thomson, estudiando las radiaciones emitidas por el uranio y el torio con un imán, se dio cuenta de que había dos clases de rayos diferentes: “hay presentes por lo menos dos tipos distintos de radiación”, escribió, “una que es absorbido fácilmente, que llamaremos alfa, y otra más penetrante que denominaremos beta”. Los rayos alfa están cargados positivamente, y los beta, negativamente. En ésa época no estaba claro qué eran, sin embargo los rayos alfa producían una ionización (es decir, una electrificación de la materia que atravesaban) enorme, pero tenían un poder de penetración tan pequeño que eran detenidos por una hoja de papel; en cambio, los rayos beta poseían una penetración mayor, como los rayos X, pero producían una ionización miserable, a diferencia de los últimos.

Como los estudios de Thomson dejaron claro que los rayos catódicos eran haces de partículas cargadas de electricidad (electrones) de alta velocidad, Becquerel comprobó que los penetrantes rayos beta del radio y del uranio eran también electrones del mismo tipo. Por lo que la naturaleza de los rayos beta estaba ya explicada, faltaba la de los rayos alfa, y como si fuera poco, apareció un tercer tipo de radiación. En el año 1900, el físico francés P.P. Villar descubrió que algunas de las radiaciones no eran afectadas por un ampo magnético. Rayos de los cuales Rutherford llamó “rayos gamma” y comprobó que consistían en ondas electromagnéticas. Aún así, el misterio de saber qué eran los rayos alfa, seguía en pie. Rutherford continuó estudiando meticulosamente estos rayos alfa, obteniendo unos resultados que le indicaban que dichos rayos eran probablemente de naturaleza corpuscular, y que además, las partículas que los componían eran mucho más pesadas que el electrón.

Fig. 10 Desviaciones respectivas de cada uno de los 3 tipos de radiación, en la presencia de un campo eléctrico.

En 1908 Rutherford consiguió demostrar que estos rayos alfa se trataban de átomos de helio despojados de sus electrones (núcleos de helio como se diría con términos actuales), donde estos salían de los elementos radiactivos con una velocidad que las transformaba en proyectiles ideales para bombardear los átomos deseados, lanzándolos a toda velocidad contra ellos mirando qué pasaba, era como si lanzáramos pelotas de golf a toda velocidad contra un objeto desconocido. Pensando que si las bolas de golf rebotan, el objeto deberá ser macizo, en cambio si algunas lo atraviesan, deberá tener aguieros.

Así fue que en 1908, Rutherford bombardeó una lámina de oro de sólo cinco diezmilésimas de milímetro de espesor con partículas alfa (utilizando un bloque de plomo como protección de esta emisión) y observó que la mayoría de los proyectiles (que quedaban impresos en la placa detectora, recubierta por una pantalla fluorescente de sulfuro de cinc) atravesaban la hoja de oro sin sufrir ninguna desviación, así mismo, en menor cantidad habían partículas que se desviaban ligeramente, y otras enormemente, llegando hasta el punto en que había partículas que se devolvían completamente a su trayectoria inicial, acontecimiento que fue increíblemente sorprendente para Rutherford, expresándolo de esta manera:

“Era el suceso más increíble que me había ocurrido en toda mi vida. Era casi como si se disparara una bala de 15 pulgadas sobre un pañuelo de papel y rebotara”.

Fig.10 Bombardeo de partículas alfa a una laminilla de oro, por Ernest Rutherford.

Esto sugería un nuevo modelo del átomo, ya que el modelo atómico de Thomson que planteaba que el átomo era una esfera más o menos llena de materia, cargada de electricidad positiva, donde estaban incrustados los electrones de carga negativa, ya no tendría sentido, debido a que si los átomos eran macizos como los planteaba Thomson ¿cómo podía ser que la mayoría de las partículas atravesara la lámina?

Así fue, lo que le llevó a pensar a Rutherford de que la mayoría del parte del átomo debería ser vacío, y puesto que algunas partículas eran desviadas fuertemente incluso en ángulos rectos, significaba que en alguna parte del átomo había una región donde se concentraba la masa, y

que ésta debería ser positiva, debido a la repulsión que genera con los rayos alfa (positivos). Esto le permitió deducir que esta región donde se encontraba la masa, era un espacio muy reducido ubicado en su centro, y que los electrones giraban en la periferia, muy lejos de esa masa central, a la cual denominó “núcleo”

Este nuevo modelo atómico planteado por Rutherford abolió completamente el modelo planteado por Thomson, en el que el átomo en vez de estar lleno (según Thomson), estaba casi completamente vacío, formado por un centro (el núcleo) compuesto de partículas que luego llamaría “protones”, a cuyo alrededor giraban los electrones.

La importancia de este modelo también se les atribuida a que concordaba con uno de los más antiguos mitos humanos, de “relacionar el mico y el macrocosmos, que los más pequeño se pareciera a lo más grande, que el universo tuviera una sola impronta repetida en diferentes escalas”.

Por otro lado, años anteriores, en 1886 Eugen Goldstein había observado por primera vez que un tubo de rayos catódicos también generaba una corriente de partículas cargadas positivamente que se dirigían hacia el cátodo (electrodo carga negativa). Estos se denominaron rayos canales porque eran observados ocasionalmente al pasar a través de un canal perforado en el electrodo negativo. Estos rayos positivos, o iones positivos, eran creados cuando los rayos catódicos hacían saltar electrones de los átomos gaseosos en el tubo, formando iones positivos por procesos como:

Átomo catión+ + e-

Dándose cuenta que diferentes elementos daban iones positivos con diferentes relaciones e/m, donde la regularidad de los valores de e/m que daban diferentes iones, condujo a la idea de que hay una unidad de carga positiva en el átomo, la cual en 1919 Rutherford y Chadwick, denominarían: “protón”

Fig. 11 Rayos canales. Como los rayos catódicos, estos rayos positivos eran desviados por cambios magnéticos o eléctricos, pero en sentido opuesto a los rayos catódicos. Las partículas de los rayos canales tenían relaciones e/m muchas veces menores que las de los electrones, lo que denotaba que sus masas eran muchos mayores.

CONCLUSION

Antes de Cristo, la ciencia era netamente filosófica, ya que se empleaba la retórica y la filosofía para explicar los fenómenos del mundo, y a pesar de que aparecieron mentes diferentes como las de Demócrito y Leucipo sobre sus postulados del atomismo, estos fueron abolidas y suprimidas, de nuevo por la supremacía de unos sobre otros, en este caso de Aristóteles sobre

los ya nombrados. Debido a la edad media, hubo un gran estancamiento científico cultural, como se puede evidenciar en la reaparición del interés por la ciencia (no la alquimia) dos mil años después, al haberse extendido sigilosamente por la europa occidental y retomado por John Dalton quien retomará esa idea definitivamente, generando una perspectiva de ver el mundo a partir de sus partículas más básicas, los átomos. Así fue como se implantó ese pensamiento de átomo en el siglo XVIII, y a partir de allí el interés por la ciencia incrementó de manera notable, generándose postulados en los que se desmentía esas concepciones alquimistas y griegas antiguas, dando cada vez más, a un mayor número de incógnitas sobre la complejidad del mundo.