Los átomos son pequeños. Muy, muy pequeño. Probablemente habrás escuchado 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 allí, interactuando entre sí y siendo bloques de construcción para nuestro mundo.
Sin embargo, para la mayoría de las personas, eso no es lo suficientemente bueno. La ciencia se enorgullece de la forma en que utiliza observaciones reales para resolver los misterios del universo, entonces, ¿cómo llegamos a la conclusión de que los átomos existen y qué hemos aprendido sobre estas pequeñas estructuras?
Puede parecer que hay una manera simple de demostrar 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. En otras palabras, los átomos son invisibles para 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 Stock Photo)
La luz visible no puede revelar átomos individuales (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Cientos de años atrás, en 1785, el científico holandés Jan Ingenhousz estaba estudiando un fenómeno extraño que no podía entender. Pequeñas partículas de polvo de carbón se lanzaban sobre la superficie de algo 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. Tenía su microscopio entrenado en algunos granos de polen. Brown notó que algunos de los granos liberaron pequeñas partículas, que luego se alejarían del grano de polen en una danza nerviosa al azar.
Al principio, Brown se preguntó si las partículas eran realmente algún tipo 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.
La ciencia tardaría casi otro siglo en ofrecer una explicación. Einstein apareció y desarrolló una fórmula matemática que predeciría este tipo de movimiento muy particular, llamado movimiento browniano, en honor a Robert Brown.
La teoría de Einstein era que las partículas de los granos de polen se movían porque se estrellaban constantemente contra millones de moléculas de agua más pequeñas, moléculas que estaban formadas por átomos.
Puede sorprender que los átomos se puedan descomponer, especialmente porque “atomos” significa “indivisible”
“Explica este movimiento de sacudida que usted ve como realmente causado por el 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. En aproximadamente una década, los físicos podrían ir más allá. Al separar átomos individuales, comenzaron a tener una idea de su estructura interna.
Puede sorprender que los átomos se puedan descomponer, especialmente porque el nombre del átomo deriva del término griego “atomos”, que significa “indivisible”. Pero los físicos ahora saben que los átomos no son bolitas sólidas. Es mejor pensar en ellos como pequeños sistemas eléctricos “planetarios”. Por lo general, están formados por tres partes principales: protones, neutrones y electrones. Piense en los protones y neutrones como si formaran juntos 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 Stock Photo)
Los átomos están formados por partículas más pequeñas (Crédito: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Si los átomos son imposiblemente 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 unas 1.830 veces más grandes que los electrones. Imagine una pequeña canica en órbita alrededor de un globo de aire caliente; ese es el tipo de discrepancia de la que estamos hablando aquí.
Es uno de los primeros aceleradores de partículas.
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 demostrar su existencia en 1897.
Su dispositivo especial se llamaba tubo de Crookes, una pieza de vidrio con forma divertida de la cual casi todo el aire era absorbido por una máquina. Luego, se aplicó una carga eléctrica negativa a un extremo del tubo. Esta carga fue suficiente para eliminar las moléculas de gas restantes en el tubo de algunos de sus electrones. Los electrones tienen carga negativa, por lo que volaron por el tubo hacia el otro extremo. Gracias al vacío parcial, esos electrones pudieron disparar a través del tubo sin que ningún átomo grande se interpusiera en su camino.
La carga eléctrica hizo que los electrones se movieran muy rápidamente, alrededor de 37,000 millas por segundo (59,500 kilómetros por segundo), hasta que se estrellaron contra el vidrio en el otro extremo, golpeando aún más electrones asociados con los átomos allí. Sorprendentemente, las colisiones entre estas partículas diminutas y 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 Stock Photo)
Un tubo de Crookes con metal en forma de cruz maltesa (Crédito: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“Es uno de los primeros aceleradores de partículas de una manera”, dice Cliff. “Acelera electrones de un extremo del tubo al otro y golpean la pantalla en el otro extremo y le dan este brillo fosforescente”.
El descubrimiento del electrón sugirió que había más para aprender sobre los átomos.
Debido a que Thomson descubrió que en realidad podía dirigir los haces de electrones con imanes y campos eléctricos, sabía que no se trataba solo de extraños rayos de luz: tenían que ser partículas cargadas.
Y si se pregunta cómo estos electrones podrían volar independientemente de sus átomos, eso se debe a un proceso llamado ionización, en el que, en este caso, una carga eléctrica cambia la estructura del átomo al empujar esos electrones hacia el espacio.
De hecho, es porque 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 desde un átomo de cobre al siguiente, y es eso lo que lleva la carga a través del cable al otro extremo. Vale la pena señalar que los átomos no son pequeños trozos sólidos de materia, sino sistemas que pueden modificarse o sufrir cambios estructurales.
Las bombillas brillan debido al flujo de electrones (Crédito: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Las bombillas brillan debido al flujo de electrones (Crédito: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Pero el descubrimiento del electrón sugirió que había más para 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 misteriosas partículas 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 metálica muy delgada y la colocaron bajo un haz de radiación cargada positivamente, una corriente de pequeñas partículas. La mayor parte de la poderosa radiación atravesó, tal como Rutherford pensó que sería, dado lo delgado que era el papel de aluminio. Pero sorprendentemente, parte de ella se recuperó.
Rutherford razonó que los átomos en la lámina de metal 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 al mismo tiempo demostró que todas estaban agrupadas en una masa apretada de una manera que los electrones no lo están. 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 los átomos podría estimarse. Pero dado lo que se sabía acerca de 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 a] 12 protones”.
Al principio se pensó que las otras seis partículas nucleares tendrían la misma masa que los protones, pero estarían cargadas de forma neutral: neutrones. Pero nadie pudo probar esto. De hecho, los neutrones no se descubrieron hasta la década de 1930.
Todo lo que nos rodea está hecho de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Todo lo que nos rodea está hecho de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Stock Photo)
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 acerca de los átomos, pero nadie había producido una imagen directa de uno
Unos años antes, otros físicos habían estado experimentando con radiación. Dispararon radiación con carga positiva, del mismo tipo que Rutherford había utilizado para descubrir el núcleo, a los átomos de berilio. El berilio expulsó su propia radiación: radiación que no tenía carga positiva ni negativa, y que podía penetrar mucho a través del material.
En este momento, otros ya habían descubierto que la radiación gamma era neutral y profundamente penetrante, por lo que los físicos asumieron que esto era lo que liberaban los átomos de berilio. Pero Chadwick no estaba convencido.
Él mismo generó parte de la nueva radiación y apuntó a una sustancia que sabía que era rica en protones. Inesperadamente, los protones fueron lanzados al 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 termina ahí.
Incluso puedes averiguar cómo se ven los átomos mirándolos
Aunque habíamos descubierto mucho más sobre 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 muchas personas querrían 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 del 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, de hecho, tan corto que las ondas de electrones pueden ser desviadas por pequeños átomos para generar una imagen de una manera que los haces de luz no pueden.
Neal Skipper, del University College de Londres, dice que esas imágenes son útiles para las personas que desean estudiar la estructura atómica de sustancias especiales, por ejemplo, las que se utilizan para fabricar baterías para automóviles eléctricos. Cuanto más sepamos acerca de su estructura atómica, mejor podremos diseñarlos para que sean eficientes y confiables.
Los microscopios de fuerza atómica pueden mostrarnos átomos individuales (Crédito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Los microscopios de fuerza atómica pueden mostrarnos átomos individuales (Crédito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Incluso puedes averiguar cómo se ven los átomos mirándolos. 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 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 avanza le permite a los científicos producir imágenes de, 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 mucha investigación atómica hoy explora cómo cambia la estructura de las cosas cuando se aplica una presión alta o temperatura extrema. La mayoría de la gente sabe que cuando un material se calienta, a menudo se expande. Ahora es posible detectar los cambios atómicos que ocurren, lo que lo hace 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 en átomos utilizando los haces de neutrones identificados por primera vez por Chadwick en la década de 1930.
Puede identificar átomos detectando solo la energía de los rayos gamma
“Lo que hacemos mucho es disparar haces de neutrones a los trozos de materiales y, a partir del patrón de dispersión que emerge, puedes darte cuenta de que estabas dispersando neutrones desde el núcleo”, dice. “Se puede calcular la masa y el tamaño aproximado del objeto que estaba dispersándose”.
Pero los átomos no siempre están sentados allí, calmadamente estables, esperando ser examinados. A veces están decayendo, lo que significa que son radiactivos.
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 Stock Photo)
Los átomos de uranio se pueden dividir en dos (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
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 radiactivo de un tipo dado genera una forma específica de rayos gamma. Eso significa que puede identificar 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 usaría son detectores que le permiten medir tanto la presencia de la radiación como también 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 en áreas donde ha habido desastres nucleares.
Harkness-Brennan y sus colegas ahora están trabajando en sistemas de detección que pueden instalarse en dichos lugares para mostrar, en tres dimensiones, dónde podría estar presente la radiación en una habitación en particular. “Lo que quieres hacer es tener técnicas y herramientas que te permitan obtener imágenes de un espacio tridimensional y decirte en esa habitación, en esa tubería, que es donde está la radiación”, dice ella.
Dado lo pequeño que es el átomo, es sorprendente la cantidad de física que podemos sacar 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 de radiación cargadas que se alejan de la fuente eliminan los electrones de las moléculas de alcohol. Esto hace que el alcohol se condense en líquido alrededor del camino de la partícula emitida. Los resultados de este tipo de detección son realmente sorprendentes.
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 naturalmente. 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 dice bien: “Dado lo pequeño que es el átomo, es sorprendente la cantidad de física que podemos sacar de él”.
Todo lo que podemos ver a nuestro alrededor está hecho de estas pequeñas cosas. Es bueno saber que están ahí abajo, lo que lo hace posible.
