¿Cómo dibujo un átomo?(I): El átomo clásico

electr

La entrada de hoy viene motivada por una pregunta frecuente  de mi amigo Kanif Beruna: ¿Cómo dibujo un átomo? Como sabéis, mi amigo Kanif es hombre de gran talento, y de una encomiable  curiosidad por aprender cosas nuevas, y entre ellas está la Química Cuántica. Debido a ello, ha decidido contribuir a este blog con sus viñetas humorísticas que podéis encontrar en la sección de Des-Varios. Pero viendo lo “rara” que parece ser  la cuántica, se le plantea el problema de como representar los átomos en los chistes. Me encanta la pregunta, porque su simplicidad contrasta con  la complejidad de una respuesta adecuada. De hecho voy a necesitar dos entradas para responder adecuadamente esta cuestión.

Modelo Atomo Indivisible: Desde Grecia a Dalton

Empecemos por el principio,  el concepto de átomo se lo debemos a dos filósofos griegos  : Leucipo y Demócrito. Según estos pensadores, los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incompresibles e invisibles, diferenciándose  en forma y tamaño externas. Desafortunadamente, la teoría atómica no fue aceptada por  Aristóteles, ya que la teoría atómica implicaba la existencia del vacío, y la existencia del vacío entraba en contradición con su teoría del movimiento de los cuerpos. Hubo que esperar hasta el Renacimiento y a Gassendi,  para recuper el concepto de átomo, e incorporar el de molécula:

A partir de los átomos se forman primero ciertas moléculas diferentes entre sí, que son las semillas de las diferentes cosas… Gassendi (1592-1655)

simbodalt

Pero, realmente la Química moderna nace unos años más tarde, a manos de Lavoisier (1743-1794). Desde el principio, la Química se abraza al modelo atómico y muestra un  gran interés  en representar estos átomos, ya que son  un modelo  muy útil para explicar al hecho experimental de que los diferentes elementos, o átomos, se combinan en ratios simples de números enteros para dar moléculas. En las reacciones los atomos se combinan, separaran y reorganizan pero nunca se destruyen o se crean. Así,  Dalton afirma que los  átomos son indivisibles e indestructibles, siendo diferentes en  tamaño y masa, y por ello , Dalton representa los átomos como unas esferas sólidas  e impenetrables,  con características diferenciadas de tamaño y masa.

Modelo Atomo Divisible: Thomson

AtomThomson

En 1898, Thomson hace un descubrimiento muy importante. A partir de experimentos con rayos catódicos, se descubre que el átomo es en realidad divisible, conteniendo partículas de masa muy pequeña y con carga eléctrica negativa, a las que se bautiza como electrones. Desaparece así una de las características principales de los átomos: su indivisibilidad,  que además, era el origen de su nombre. Desde entonces, los científicos empiezan a preocuparse por representar la estructura interna de los átomos. En 1904, Thomson  propuso un modelo atómico de esferas, como el de Dalton, pero con una estructura interna de electrones homogéneamente distribuidos  en una masa de carga positiva, como si fueran pasas en un pudín, bautizándose de hecho el modelo como plum pudding model.

Modelos Planetarios: Rutherford, Bohr y Sommerfeld

El primer paso hacia un modelo planetario del átomo vino de la mano de Rutherford en 1911. Al bombardear una fina lámina  de oro  con partículas α, nucleos de He ionizados, se encontró  que   la mayoría de las partículas atravesaban la hoja metálica, indicando que  gran parte del átomo estaba vacío, en claro desacuerdo con el modelo de Thomson. Sólo unas pocas partículas α se dispersaban, o rebotaban, indicando que existía una zona de átomo fuertemente positiva y muy densa. Por ello, Rutherford estableció que el átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo debía tener carga positiva, un radio muy pequeño y en él se concentraba casi toda la masa del átomo. La corteza estaría formada por  electrones orbitando alrededor del núcleo, en un espacio esencialmente vacío.

AtomoRutheford2

Hoy sabemos que los tamaños del átomo, núcleo y electrón son del orden  de 10-10 m, 10-15 m  y 10-20 m , respectivamente. Es decir, si el átomo tuviera el tamaño de una persona, el núcleo tendría el tamaño de … una célula(!) …y el electrón tendría el tamaño de … un sólo átomo(!!). Así de diferentes son estas escalas, y así de vacío está el átomo. Vamos que Aristoteles se volvería a morir, no sólo existe el vacío entre los átomos, sino que el propio átomo era principalmente vacío.

Así las cosas, la tentación de comparar la situación del átomo con la de un sistema planetario era muy grande: el núcleo haría las veces de sol, con los electrones  orbitando a su alrededor como si fueran planetas. Sin embargo, había una diferencia importante, serían las fuerzas eléctricas  las que mantendrían el átomo unido, y no las fuerzas gravitacionales.  Y esto era una diferencia fundamental, como veremos en el siguiente párrafo. En 1913, Bohr propuso un modelo de órbitas circulares en torno al núcleo, modelo mejorado por Sommerfeld en 1916, mediante la utilización de orbitas elípticas.

Bohr-N2

Atom-Bohr-Sommerfeld

*En realidad, en los dibujos de arriba se han añadido a los modelos originales de Bohr y Sommerfeld, la composición del núcleo en protones y neutrones, descubierta  unos años más tarde.  

De todas maneras estos modelos tenían graves problemas. Según las ecuaciones de Maxwell, un electrón en un movimiento circular debería emitir radiación electromagnética . Al emitir radiación, el electrón iría perdiendo energía de forma continua e inevitable,  induciendo una órbita en espiral, que conllevaría el colapso del electrón al núcleo. Es decir, siguiendo las ecuaciones de la física clásica los átomos deberían ser inestables,  y como consecuencia, las moléculas y la materia en general, no existiría, ni existirías tú, ni yo, ni este blog. Desde luego, eso no era un error menor. La única manera de hacer que el átomo de Bohr fuera estable era “obligar” al electrón a ocupar ciertas órbitas permitidas, y sólo considerar la emisión de radiación al pasar de una órbita a otra. Pero esto era una gran trampa, una restricción forzada a-posteriori en el edificio  de la física clásica. No había lugar a engaño: la física clásica, y por extensión, nuestra manera de ver el mundo, fallaba estrepitosamente a la hora de explicar los átomos, y la propia existencia de la materia.

ColpasoDelAtomo

Aquí se acabaron los intentos de generar modelos visuales del átomo basados en los conceptos de la física clásica. La revolución cuántica estaba madurando durante estos primeros años del siglo XX, y en la decada de los años veinte va a implosionar. Con ella, la conceptualización del átomo sufrirá un gran cambio, y por tanto, su representación visual también.  Pero los modelos cuánticos tienen un problema: no se expresan fácilmente en nuestro lenguaje visual cotidiano. Por eso, cuando queremos  dibujar un átomo, con intención de llegar al gran público, se sigue recurriendo a los modelos clásicos.

Aquí van algunos ejemplos. El modelo Bohr-Sommerfeld ha sido ampliamente utilizado en comics, como podéis ver en estos dibujos del Capitán Átomo:

Captain_Atom

CaptainAtom2

… y  en los emblemas de diferentes organizaciones “serias”, tales como la Organización Internacional de la Energía Atómica, la Atomic Energy Commission, etc., que algo sabrán de lo que realmente  es un átomo

OIEA

AtomicEnergyComission

Incluso en el arte se ha utilizado el  átomo en su versión más “Daltoniana”. Por ejemplo, en el cuadro de Dalí de la derecha, se utiliza un modelo  atomico  de esferas sólidas, para componer/construir la imagen de Gala.

DaliAtom

…y en la Química, el modelo de esferas sólidas se sigue utilizando cuando sólo queremos representar la posición de los átomos en las moléculas,  sin ninguna pretensión de describir la estructura interna del átomo (aunque los “palitos” que definen los enlaces químicos, ya nos están diciendo algo de la distribución espacial de los electrones más externos).

c60_big

La pregunta parece evidente, ¿Por qué se utilizan los modelos clásicos planetarios si son erróneos? La respuesta es que estos modelos serán los últimos modelos expresables en un lenguaje físico intuitivo a partir de nuestra experiencia macroscópica. Las siguientes representaciones corresponderán a la cuántica, la cual se expresa en un lenguaje visual más alejado de nuestro lenguaje cotidiano. Hay que ser consciente de que los modelos son una representación aproximada de la realidad, y cuando hay fenómenos cuánticos por medio, las limitaciones de nuestro lenguaje visual clásico son gigantescas. Teniendo en cuenta los ejemplos arriba expuestos, creo que Kanif puede seguir utilizando con tranquilidad el modelo Bohr-Sommerfeld para hacer chistes y viñetas en este blog,   y dejaremos a los electrones sumidos en su esquizofrenia onda-partícula. Aunque en realidad… ellos no tienen ninguna esquizofrenia, la esquizofrenia la tenemos nosotros y nuestra insistencia en utilizar nuestro lenguaje cotidiano a la hora de abordar el mundo microscópico. Si queréis seguir profundizando en modelos visuales del átomo pero desde la cuántica, os invito a la siguiente entrada. Y si Kanif se anima a hacer alguna viñeta con las representaciones cuánticas del átomo, pues también genial, ¿no os parece?

electr

Addendum: El desarrollo del concepto del átomo no es tan lineal como lo aquí expuesto. Hubo muchos modelos que tuvieron una vida breve debido a los nuevos experimentos que se iban haciendo. Para más información podéis consultar este artículo en el blog de Naukas.

Disclaimer: I have used the images in a non for profit, scholarly interest, under the fair use principle - however, I am willing to remove them if there is any infringement of copyright laws.
About these ads

, , , , , , , ,

  1. #1 por Iñaki el abril 7, 2013 - 5:31 pm

    Muy bueno Xabi. El tema de dibujar un átomo o una molécula es un muy buen ejemplo de algo que resulta muy complicado de explicar a los alumnos: la diferencia entre realidad y modelos. Y sobre todo cómo un modelo puede ser sólo una aproximación a la realidad y sin embargo ser extremadamente útil, como pasa con los orbitales. Enhorabuena maestro!

    • #2 por xabierjota el abril 7, 2013 - 5:52 pm

      Gracias Iñaki por el comentario! Completamente de acuerdo en la utilidad de los modelos, y en que no hay que confundirlos con la realidad. Profundizaré en el átomo cuántico en una próxima entrada. Saludos y Gracias por comentar!

Deja un comentario

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

Buscando el optimismo

Tienes TV, periódicos y radios para el pesimismo...

Más que Ciencia

Investigación, desarrollo e innovación a tu alcance

Química Cuántica y Filosofadas varias

CatQuímica.cat

Bloc creat amb motiu de l'Any Internacional de la Química (AIQ2011)

Lejos

Este es un diario para ser leído después, cuando estemos juntas y ya no nos duela la distancia.

Los Mundos de Brana

Physics is far more creative and fun than people generally recognize. LISA RANDALL

Roskiencia

Blog personal de Ismael Díaz para divulgar la Ciencia.

Química Cuántica y Filosofadas varias

Francis (th)E mule Science's News

La Ciencia de la Mula Francis. Relatos breves sobre Ciencia, Tecnología y sobre la Vida Misma

Naukas

Ciencia, escepticismo y humor

Ese punto azul pálido (Pale Blue Dot)

Química Cuántica y Filosofadas varias

El Tamiz

Si no eres parte de la solución, eres parte del precipitado.

Cuentos Cuánticos

Un sitio donde los cuentos de ciencia están contados y no contados al mismo tiempo

EL BLOG DEL BÚHO

Química Cuántica y Filosofadas varias

Nola ikasi Kimika Kuantikoa izutu gabe

Química Cuántica y Filosofadas varias

Seguir

Recibe cada nueva publicación en tu buzón de correo electrónico.

Únete a otros 36 seguidores

%d personas les gusta esto: