Un átomo es una unidad de la materia, la unidad más pequeña de un elemento, consistiendo en un núcleo denso, central, positivamente cargado rodeado por un sistema de electrones, igual en número al número de protones nucleares, toda su estructura tiene un diámetro aproximado de 10-8 centímetro y característicamente permanece sin división en reacciones químicas a excepción de la eliminación limitada, transferencia, o intercambio de ciertos electrones.
Los modelos que los científicos utilizan no proporcionan una comprensión absoluta del átomo, sino sólo una forma de abstracción para que puedan hacer predicciones útiles sobre los átomos. Los métodos epistemológicos que utilizan los científicos nos proporcionan la manera más conocida de llegar a la ciencia útil y al conocimiento basado en los hechos. Ningún otro método ha sido probado como exitoso.
En la antigüedad
En realidad, la idea de la electricidad llegó antes que los átomos. Cerca del año 600 A.C. Thales de Miletus descubrió que un pedazo de ámbar, después de frotarlo con la piel, atrae pelos y plumas y otros objetos ligeros. Él sugirió que esta misteriosa fuerza provenía del ámbar. Thales, sin embargo, no conectó esta fuerza con ninguna partícula atómica.
No fue hasta alrededor del año 460 A.C., que un filósofo griego, Demócrito, desarrolló la idea de los átomos. Él hizo esta pregunta: Si usted rompe un pedazo de materia a la mitad, y después lo rompe a la mitad otra vez, ¿cuántas otras roturas usted tendrá que hacer antes de que usted no pueda romperlo más? Demócrito pensó que terminaría en algún punto, en una parte de la materia lo más pequeña posible. Él llamó a estas partículas básicas de la materia, átomos.
Desafortunadamente, las ideas atómicas de Demócrito no tuvieron efectos duraderos sobre otros filósofos griegos, incluyendo a Aristóteles. De hecho, Aristóteles desestimó la idea atómica como inútil. La gente consideraba las opiniones de Aristóteles muy importantes y si Aristóteles pensaba que la idea atómica no tenía mérito, entonces la mayoría de las otras personas pensaban lo mismo también.
Durante más de 2000 años nadie hizo nada para continuar las exploraciones que los griegos habían empezado sobre la naturaleza de la materia. No hasta principios del siglo XIX que la gente comenzó de nuevo a cuestionar la estructura de la materia.
Descubriendo el átomo
En el siglo XIX, un químico inglés, John Dalton, conocido sobre todo por su tremenda contribución en el campo de la química física, realizó experimentos con varias sustancias químicas que demostraron que la materia, en efecto, parecía consistir en partículas elementales (átomos). Aunque él no conocía sobre su estructura, sabía que la evidencia apuntaba a algo fundamental. El descubrimiento de que los átomos estaban compuestos de una variedad de partículas “subatómicas” más pequeñas tardó mucho más.
Aunque era sobre todo teoría, él estaba entre los primeros de su tiempo, y adelantado a su tiempo también, cuando él propuso su teoría atómica.
Los puntos principales de la teoría atómica de Dalton fueron:
- Los elementos están hechos de partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.
- Los átomos de un elemento dado son idénticos en tamaño, masa y otras propiedades; los átomos de diferentes elementos difieren en tamaño, masa y otras propiedades.
- Los átomos no pueden ser subdivididos, creados o destruidos.
- Los átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones simples de número entero para formar compuestos químicos.
- En las reacciones químicas, los átomos se combinan, se separan o se reorganizan.
La teoría atómica de Dalton era una hipótesis y aún no había sido probada científicamente.
En los años siguientes, muchos otros científicos trabajaron sobre la teoría atómica de Dalton y descubrieron más sobre los átomos.
En 1897, el físico inglés J.J. Thomson descubrió el electrón y propuso un modelo para la estructura del átomo. Thomson sabía que los electrones tenían una carga negativa y pensaba que la materia debía tener una carga positiva.
En 1900, Max Planck, profesor de física teórica en Berlín, demostró que cuando se hacen vibrar átomos lo suficientemente fuerte, como cuando se calienta un objeto hasta que esté candente, se puede medir la energía sólo en unidades discretas. Él llamó a estos paquetes de energía, quanta.
Los físicos de la época pensaban que la luz consistía en ondas, pero, según Albert Einstein, los quanta se comportaban como partículas discretas. Los físicos llaman a la partícula de luz discreta de Einstein, un “fotón“.
Los átomos no sólo emiten fotones, sino que también pueden absorberlos. En 1905, Albert Einstein escribió un artículo innovador que explicaba que la absorción de la luz puede liberar electrones de los átomos, un fenómeno llamado “efecto fotoeléctrico“. Con este trabajo fue capaz de demostrar que el movimiento browniano era el resultado de colisiones atómicas reales y se vería diferente si los átomos no existieran. Einstein recibió su único Premio Nobel de Física en 1921 por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.
Durante muchos años se produjo una intensa controversia al decidir si la luz consistía en ondas o partículas. La evidencia parecía ser fuerte en ambos casos. Posteriormente, los físicos mostraron que la luz aparece como onda o como partícula (pero nunca ambas al mismo tiempo) dependiendo de la configuración experimental.
Otras partículas se descubrieron en esta época llamadas rayos alfa. Estas partículas tenían una carga positiva y los físicos pensaban que estaban en las partes positivas del átomo de Thomson (ahora conocido como el núcleo de los átomos).
En 1911 Ernest Rutherford pensó que sería interesante bombardear átomos con estos rayos alfa, calculando que este experimento podría investigar el interior del átomo (algo así como una sonda). No fue hasta que 1919 Rutherford finalmente identificó las partículas del núcleo como cargas positivas discretas de la materia. Utilizando partículas alfa como balas, Rutherford arrancó los núcleos de átomos de hidrógeno de los átomos de seis elementos: boro, flúor, sodio, aluminio, fósforo y nitrógeno. Los llamó protones, del griego para “primero”, porque consistieron en los primeros bloques de construcción identificados de los núcleos de todos los elementos. Él encontró que la masa de protones era 1.836 veces tan grande como la masa del electrón.
En 1926, el físico austriaco Erwin Schrödinger tenía una idea interesante: ¿por qué no ir hasta el final con las ondas de partículas y tratar de formar un modelo del átomo sobre esa base? Su teoría funcionaba como una teoría armónica para una cuerda de violín, excepto que las vibraciones viajaban en círculos.
De hecho, el mundo del átomo empezó a parecer muy extraño. Resultó difícil formar una imagen exacta de un átomo porque nada en nuestro mundo realmente se compara con él.
Justo antes de que Schrödinger propusiera su teoría, un físico alemán Werner Heisenberg, en 1925, tenía una teoría propia llamada mecánica cuántica matricial que también explicaba el comportamiento de los átomos. Las dos teorías parecían tener conjuntos de suposiciones completamente diferentes, pero ambas funcionaron. Heisenberg basó su teoría en las cantidades matemáticas llamadas matrices que se ajustan con la concepción de electrones como partículas mientras que Schrödinger basó su teoría en ondas. En realidad, los resultados de ambas teorías parecieron matemáticamente iguales.
Aunque el concepto matemático del átomo mejoró, el concepto visual del átomo empeoró. Sin embargo, incluso los modelos visuales simplistas pueden resultar útiles. Los químicos suelen describir el átomo como un modelo de sistema solar simple similar al modelo de Bohr, pero sin las diferentes formas de órbita.
Desde el tiempo de los antiguos griegos hasta hoy, el concepto visual del átomo ha demostrado ser difícil de alcanzar y oscuro, pero los conceptos matemáticos se han fortalecido. Aunque nada ha demostrado ser absoluto, los humanos ahora pueden predecir el comportamiento de los átomos con gran precisión. Pero el mundo del átomo, el quanta de las partículas, parece tan extraño que no podemos visualizar lo que pensamos y hablamos. Las partículas tienen una característica de existencia y no existencia completa aleatoria sobre ellas; y sin embargo los métodos de la electrodinámica cuántica (QED), la cromodinámica cuántica (QCD) y la totalidad de la mecánica cuántica proporcionan herramientas tan precisas, útiles y poderosas que abarcan todas las leyes físicas clásicas. Las predicciones de la mecánica cuántica se han verificado muchas veces y con una precisión de mejor que una parte en un billón. Ningún método predictivo ha llegado tan cerca. Incluso los psíquicos, adivinos y profetas no probados sólo pueden soñar con tales poderes de predicción.
Le dejamos un video de la historia del átomo.