Los átomos son pequeños. Realmente, muy pequeño. Probablemente habrás oído que la materia está hecha de paquetes de estas pequeñas cosas. Es probable que también sepa que no puede verlos a simple vista. Se nos dice que confiemos en la idea de que los átomos están ahí, interactuando unos con otros y construyendo bloques para nuestro mundo.
Para la mayoría de la gente, sin embargo, eso no es lo suficientemente bueno. La ciencia se enorgullece de la forma en que usa observaciones reales para resolver los misterios del universo. ¿Cómo llegamos a la conclusión de que existen los átomos y qué hemos aprendido acerca de estas estructuras diminutas?
Puede parecer que hay una manera simple de probar que los átomos existen: ponerlos bajo el microscopio. Pero este enfoque no funcionará. De hecho, incluso los microscopios de enfoque de luz más potentes no pueden visualizar átomos individuales. Lo que hace que un objeto sea visible es la forma en que desvía las ondas de luz visibles. Los átomos son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible que los dos realmente no interactúan. Para decirlo de otra manera, los átomos son invisibles a la luz misma. Sin embargo, los átomos tienen efectos observables en algunas de las cosas que podemos ver.
La luz visible no puede revelar átomos individuales (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Foto de archivo)
La luz visible no puede revelar átomos individuales (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Foto de archivo)
Hace cientos de años, en 1785, el científico holandés Jan Ingenhousz estaba estudiando un extraño fenómeno que no podía entender. Minutos de polvo de carbón se lanzaban sobre la superficie de un poco de alcohol en su laboratorio.
Incluso los microscopios de enfoque de luz más potentes no pueden visualizar átomos individuales
Unos 50 años después, en 1827, el botánico escocés Robert Brown describió algo curiosamente similar. Él tenía su microscopio entrenado en algunos granos de polen. Brown notó que algunos de los granos liberaban partículas diminutas, que luego se alejaban del grano de polen en una danza al azar.
Al principio, Brown se preguntó si las partículas eran realmente una especie de organismo desconocido. Repitió el experimento con otras sustancias como el polvo de roca, que sabía que no estaba vivo, y volvió a ver el mismo movimiento extraño.
A la ciencia le llevaría casi otro siglo ofrecer una explicación. Einstein llegó y desarrolló una fórmula matemática que predeciría este tipo de movimiento muy particular, para entonces llamado movimiento browniano, después de Robert Brown.
La teoría de Einstein era que las partículas de los granos de polen se movían porque se estrellaban constantemente en millones de moléculas de agua más pequeñas, moléculas hechas de átomos.
Podría sorprender que los átomos se puedan descomponer, especialmente porque “atomos” significa “indivisible”
“Explica este movimiento irregular que, en realidad, se debe al impacto de las moléculas de agua individuales en las partículas de polvo o lo que sea que tenga en su líquido”, explica Harry Cliff, de la Universidad de Cambridge, quien es También curador en el Museo de Ciencias de Londres.
Para 1908, las observaciones respaldadas con cálculos habían confirmado que los átomos eran reales. Dentro de aproximadamente una década, los físicos podrían ir más lejos. Al separar los átomos individuales, comenzaron a tener una idea de su estructura interna.
Podría sorprender que los átomos puedan descomponerse, especialmente porque el nombre del átomo se deriva de un término griego “atomos”, que significa “indivisible”. Pero los físicos ahora saben que los átomos no son pequeñas bolas sólidas. Es mejor pensar en ellos como pequeños sistemas eléctricos, “planetarios”. Normalmente están formados por tres partes principales: protones, neutrones y electrones. Piense en los protones y neutrones como si formaran un “sol”, o núcleo, en el centro del sistema. Los electrones orbitan este núcleo, como los planetas.
Los átomos están formados por partículas más pequeñas (Crédito: Science Photo Library / Alamy Foto de archivo)
Los átomos están formados por partículas más pequeñas (Crédito: Science Photo Library / Alamy Foto de archivo)
Si los átomos son increíblemente pequeños, estas partículas subatómicas lo son aún más. Curiosamente, la primera partícula que se descubrió fue en realidad la más pequeña de las tres: el electrón.
Para tener una idea de la diferencia de tamaño aquí, los protones en el núcleo son en realidad alrededor de 1,830 veces más grandes que los electrones. Imagínese una pequeña canica que orbita un globo aerostático, de eso estamos hablando aquí.
Es uno de los primeros aceleradores de partículas en cierto modo.
Pero, ¿cómo sabemos que esas partículas están ahí? La respuesta es porque, aunque pequeñas, pueden tener un gran impacto. El físico británico que descubrió los electrones, JJ Thomson, utilizó un método particularmente llamativo para probar su existencia en 1897.
Su dispositivo especial se llamaba tubo de Crookes, una pieza de vidrio con una forma divertida, de la cual casi todo el aire era aspirado por una máquina. Luego, se aplicó una carga eléctrica negativa a un extremo del tubo. Esta carga fue suficiente para despojar las moléculas de gas restantes en el tubo de algunos de sus electrones. Los electrones están cargados negativamente, por lo que volaron por el tubo hacia el otro extremo. Gracias al vacío parcial, esos electrones pudieron dispararse a través del tubo sin que grandes átomos se interpusieran en su camino.
La carga eléctrica hizo que los electrones se movieran muy rápidamente, aproximadamente 37,000 millas por segundo (59,500 kilómetros por segundo), hasta que chocaron contra el vidrio en el extremo más alejado, golpeando aún más electrones asociados con los átomos allí. Sorprendentemente, las colisiones entre estas diminutas partículas alucinantes generaron tanta energía que creó un fantástico resplandor verde-amarillo.
Un tubo de Crookes con metal en forma de cruz maltesa (Crédito: sciencephotos / Alamy Foto de archivo)
Un tubo de Crookes con metal en forma de cruz maltesa (Crédito: sciencephotos / Alamy Foto de archivo)
“Es uno de los primeros aceleradores de partículas de una manera”, dice Cliff. “Está acelerando los electrones de un extremo del tubo al otro y ellos golpean la pantalla en el otro extremo y dan este brillo fosforescente”.
El descubrimiento del electrón sugirió que había más que aprender sobre los átomos.
Debido a que Thomson descubrió que realmente podía dirigir los haces de electrones con imanes y campos eléctricos, sabía que no eran solo rayos de luz extraños, tenían que ser partículas cargadas.
Y si te estás preguntando cómo estos electrones podrían volar alrededor de sus átomos, eso se debe a un proceso llamado ionización, en el cual, en este caso, una carga eléctrica cambia la estructura del átomo al empujar esos electrones hacia el espacio que los rodea.
De hecho, se debe a que los electrones son tan fáciles de manipular y mover que los circuitos eléctricos son posibles. Los electrones en un cable de cobre viajan en un movimiento similar a un tren de un átomo de cobre al siguiente, y es el que lleva la carga a través del cable hacia el otro extremo. Cabe destacar que los átomos no son pequeñas piezas sólidas de materia, sino sistemas que pueden modificarse o sufrir cambios estructurales.
Las bombillas brillan debido al flujo de electrones (Crédito: Feng Yu / Alamy Foto de archivo)
Las bombillas brillan debido al flujo de electrones (Crédito: Feng Yu / Alamy Foto de archivo)
Pero el descubrimiento del electrón sugería que había más que aprender sobre los átomos. El trabajo de Thomson reveló que los electrones están cargados negativamente, pero sabía que los átomos en sí mismos no tenían carga general. Razonó que deben contener partículas misteriosas cargadas positivamente para cancelar los electrones cargados negativamente.
Había demostrado la existencia de un núcleo denso dentro del átomo.
Los experimentos a principios del siglo XX identificaron esas partículas cargadas positivamente y al mismo tiempo revelaron la estructura interna similar al sistema solar del átomo.
Ernest Rutherford y sus colegas tomaron una lámina de metal muy delgada y la pusieron bajo un haz de radiación cargada positivamente, una corriente de pequeñas partículas. La mayor parte de la poderosa radiación se abrió paso, justo como Rutherford pensó que lo haría, dado lo delgado que era el papel de aluminio. Pero sorprendentemente, algunos de ellos se recuperaron.
Rutherford razonó que los átomos en la lámina metálica deben contener áreas pequeñas y densas con una carga positiva; nada más tendría el potencial de reflejar la radiación a un grado tan fuerte. Había encontrado las cargas positivas en el átomo y, simultáneamente, demostró que estaban agrupadas en una masa apretada de una manera que los electrones no lo estaban. En otras palabras, había demostrado la existencia de un núcleo denso dentro del átomo.
El físico de Cambridge James Chadwick estaba desesperado por descubrir el neutrón.
Sin embargo, todavía había un problema. Por ahora, la masa de átomos podría ser estimada. Pero dado lo que se sabía sobre cuán pesada debería ser una partícula en el núcleo, la idea de que todos estaban cargados positivamente no tenía sentido.
“El carbono tiene seis electrones y, por lo tanto, seis protones en el núcleo: seis cargas positivas y seis cargas negativas”, explica Cliff. “Pero el núcleo de carbono no pesa seis protones, pesa [el equivalente de] 12 protones”.
Desde el principio se pensó que las otras seis partículas nucleares tendrían la misma masa que los protones, pero estarían cargadas de neutro: los neutrones. Pero nadie podría probar esto. De hecho, los neutrones no fueron descubiertos hasta la década de 1930.
Todo lo que nos rodea está hecho de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Foto de archivo)
Todo lo que nos rodea está hecho de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Foto de archivo)
El físico de Cambridge James Chadwick estaba desesperado por descubrir el neutrón. Había estado trabajando en la teoría durante años. En 1932, hizo un gran avance.
En la década de 1930, habíamos descubierto mucho sobre los átomos, pero nadie había producido una imagen directa de uno.
Unos años antes, otros físicos habían estado experimentando con la radiación. Dispararon radiación cargada positivamente, del mismo tipo que Rutherford había utilizado para descubrir el núcleo, contra los átomos de berilio. El berilio expulsó su propia radiación: radiación que no tenía carga positiva ni negativa, y que podía penetrar a través del material.
Para entonces, otros ya habían descubierto que la radiación gamma era neutral y profundamente penetrante, por lo que los físicos asumieron que esto es lo que los átomos de berilio estaban liberando. Pero Chadwick no estaba convencido.
Él mismo generó parte de la nueva radiación y la dirigió hacia una sustancia que sabía que era rica en protones. Inesperadamente, los protones fueron expulsados en el aire lejos del material como si hubieran sido golpeados por partículas con la misma masa, como bolas de billar, golpeadas por otras bolas de billar.
La radiación gamma no puede desviar los protones de esta manera, por lo que Chadwick se dio cuenta de que las partículas en cuestión aquí deben tener la misma masa que el protón, pero carecen de su carga eléctrica: eran neutrones.
Todos los bits clave del átomo habían sido resueltos, pero la historia no se detiene allí.
Incluso puedes averiguar cómo se ven los átomos al pincharlos.
Aunque habíamos descubierto mucho más acerca de los átomos que antes, aún eran difíciles de visualizar. Y en la década de 1930, nadie había producido una imagen directa de uno, que es lo que mucha gente querría ver para aceptar realmente que están allí.
Sin embargo, es importante destacar que las técnicas que habían sido utilizadas por científicos como Thomson, Rutherford y Chadwick allanarían el camino para nuevos equipos que eventualmente nos ayudarían a producir esas imágenes. Los haces de electrones que Thomson generó en su experimento con el tubo de Crookes resultaron particularmente útiles.
Hoy en día, los microscopios electrónicos generan haces similares, y el más poderoso de estos microscopios puede crear imágenes de átomos individuales. Esto se debe a que un haz de electrones puede tener una longitud de onda miles de veces más corta que un haz de luz; tan corto, de hecho, que los átomos pequeños pueden desviar las ondas de electrones para generar una imagen de una manera que los rayos de luz no pueden.
Neal Skipper, del University College de Londres, dice que estas imágenes son útiles para las personas que desean estudiar la estructura atómica de sustancias especiales, como las que se utilizan para fabricar baterías para automóviles eléctricos. Cuanto más sepamos sobre su estructura atómica, mejor podremos diseñarlos para que sean eficientes y confiables.
Los microscopios de fuerza atómica pueden mostrarnos átomos individuales (Crédito: Flirt / Alamy Foto de archivo)
Los microscopios de fuerza atómica pueden mostrarnos átomos individuales (Crédito: Flirt / Alamy Foto de archivo)
Incluso puedes averiguar cómo se ven los átomos al pincharlos. Esto es esencialmente cómo funciona la microscopía de fuerza atómica.
En un líquido, a medida que lo calientas, puedes ver que los átomos tienen configuraciones más desordenadas.
La idea es acercar la punta de una sonda extremadamente pequeña a la superficie de una molécula o de la superficie de un material. En lugares tan cercanos, la sonda será sensible a la estructura química de lo que sea que apunte, y el cambio en la resistencia a medida que se mueve a través de ella permite a los científicos producir imágenes de cómo es, por ejemplo, una molécula individual.
Recientemente, los investigadores publicaron imágenes maravillosas de una molécula antes y después de una reacción química utilizando este método.
Skipper agrega que una gran cantidad de investigaciones atómicas en la actualidad exploran cómo cambia la estructura de las cosas cuando se aplica una presión alta o una temperatura extrema. La mayoría de las personas saben que cuando un material se calienta, a menudo se expande. Ahora es posible detectar los cambios atómicos que ocurren que lo hacen posible.
“En un líquido, a medida que lo calientas, puedes ver que los átomos tienen configuraciones más desordenadas”, dice Skipper. “Se puede ver eso desde el mapa estructural directamente”.
Skipper y otros físicos también pueden trabajar con átomos utilizando los haces de neutrones identificados por primera vez por Chadwick en la década de 1930.
Puedes identificar los átomos detectando solo la energía de los rayos gamma
“Lo que hacemos mucho es disparar haces de neutrones a trozos de materiales y, a partir del patrón de dispersión que emerge, puede darse cuenta de que estaba dispersando neutrones desde el núcleo”, dice. “Se puede calcular la masa y el tamaño aproximado del objeto que estaba haciendo la dispersión”.
Pero los átomos no siempre están sentados allí, tranquilamente estables, esperando ser examinados. A veces están decayendo, lo que significa que son radioactivos.
Hay muchos elementos radiactivos naturales. El proceso genera energía, que forma la base de la energía nuclear y las bombas nucleares. La investigación de los físicos nucleares generalmente implica tratar de comprender mejor las reacciones en las que el núcleo sufre cambios fundamentales como estos.
Los átomos de uranio se pueden dividir en dos (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Foto de archivo)
Los átomos de uranio se pueden dividir en dos (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Foto de archivo)
Laura Harkness-Brennan, de la Universidad de Liverpool, se especializa en el estudio de los rayos gamma, un tipo de radiación emitida por átomos en descomposición. Un átomo radioactivo de un tipo dado genera una forma específica de rayos gamma. Eso significa que puedes identificar los átomos detectando solo la energía de los rayos gamma, y esto es exactamente lo que Harkness-Brennan hace en su laboratorio.
No solo hemos descubierto qué son los átomos, nos hemos dado cuenta de que son estructuras maravillosamente complejas.
“Los tipos de detectores que usarías son detectores que te permiten medir tanto la presencia de la radiación como la energía de la radiación que se está depositando”, dice, “y eso se debe a que todos los núcleos tienen una huella digital característica”.
Debido a que puede haber todo tipo de átomos presentes en un área donde se detecta radiación, especialmente después de una gran reacción nuclear de algún tipo, es importante saber con precisión qué isótopos radiactivos están presentes. Este tipo de detección se realiza comúnmente en plantas de energía nuclear, o áreas donde ha habido desastres nucleares.
Harkness-Brennan y sus colegas ahora están trabajando en sistemas de detección que pueden configurarse en esos lugares para mostrar, en tres dimensiones, dónde puede haber radiación en una habitación en particular. “Lo que quieres hacer es tener técnicas y herramientas que te permitan visualizar un espacio tridimensional y decirte en esa habitación, en esa tubería, ahí es donde está la radiación”, dice.
Dado lo pequeño que es el átomo, es increíble la cantidad de física que podemos obtener de él.
También es posible visualizar la radiación en una “cámara de nubes”. Este es un experimento especial en el que el vapor de alcohol, enfriado a -40 ° C, se desplaza en una nube alrededor de una fuente radiactiva. Las partículas cargadas de radiación que vuelan lejos de la fuente eliminan los electrones de las moléculas de alcohol. Esto hace que el alcohol se condense en líquido alrededor de la trayectoria de la partícula emitida. Los resultados de este tipo de detección son bastante impresionantes.
No solo hemos descubierto qué son los átomos, nos hemos dado cuenta de que son estructuras maravillosamente complejas que pueden sufrir cambios sorprendentes, muchos de los cuales ocurren de forma natural. Y al estudiar los átomos de esta manera, hemos podido mejorar nuestras tecnologías, aprovechar la energía de las reacciones nucleares y comprender mejor el mundo natural que nos rodea. También hemos podido protegernos mejor de la radiación y descubrir cómo cambian los materiales cuando se colocan en condiciones extremas.
Harkness-Brennan lo expresa bien: “Dado lo pequeño que es el átomo, es increíble la cantidad de física que podemos obtener de él”.
Todo lo que podemos ver a nuestro alrededor está hecho de estas pequeñas cosas. Es bueno saber que están ahí abajo, haciendo que todo sea posible.
