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* Composición de la Materia – La Estructura del Átomo


Las primeras preguntas acerca de la composición del mundo fueron realizadas por Anaxímenes de Mileto. Suponía este filósofo griego que la materia estaba compuesta de cuatro únicos elementos: tierra, agua, aire y fuego, que combinados entre sí en distintas proporciones constituían el universo entero. Más tarde, los filósofos Leucipo y Demócrito afirmaron que la materia está constituida por átomos, no perceptibles por su pequeñez, que son indivisibles y de propiedades variadas, de las cuales dependen las propiedades de la materia. Sin embargo, esta teoría cayó en el olvido hasta mediados del siglo XVII, cuando el descubrimiento de elementos químicos puros, como el oxígeno, y la medida de masas y proporciones con la balanza por parte de Lavoisier, se recuperó la idea corpuscular de la materia.

A comienzos del siglo XVIII el británico John Dalton estudió rigurosamente las proporciones de distintos gases, que le condujeron a la formulación de su teoría atómica. Construyó una pequeña tabla donde reseñó todos los átomos conocidos, asignándoles un símbolo y un peso característico. Desde entonces, su tabla ha crecido, incorporándose los nuevos elementos químicos descubiertos. Su teoría de las proporciones utiliza el concepto de compuesto químico como asociación de elementos químicos simples.

La teoría atómica fue construida sin que existiera evidencia directa de esta estructura granular, aunque ya el botánico británico R. Brown la había sugerido en 1827 al observar el movimiento irregular de pequeñas partículas en suspensión en un líquido (movimiento browniano). Toda la época anterior y contemporánea a la construcción de la tabla periódica de los elementos, por obra de Mendeleiev, cree en la constitución de la materia en partículas indivisibles (significado de la palabra griega átomo). No obstante, el descubrimiento de muchos nuevos elementos químicos y la periodicidad de sus propiedades físicas y químicas en la tabla sugerían una estructura más sencilla para los átomos.

Esta suposición se ve fuertemente sustentada cuando en 1894 J. J. Thomson descubre el electrón, y se concluye que los átomos poseen un cierto número de ellos. Esto lleva a la lógica consecuencia de que, dado que los átomos en estado natural son eléctricamente neutros, debe existir algún tipo de material cargado positivamente. Propone Thomson el llamado coloquialmente modelo del pastel de pasas, pues suponía la materia como un conjunto de cargas positivas sumergidas, como pasas en un pastel, en un mar de electrones. Entre 1911 y 1913 E. Rutherford, J. Geiger y E. Marsden realizan experimentos de dispersión de partículas alfa (núcleos de átomos de helio) que muestran que la carga positiva está concentrada en una región muy pequeña (del orden de 10-4 veces) del átomo, y en ella se concentra la mayor parte de la masa. Así nace el modelo de Rutherford, un sistema solar en miniatura en el cual los electrones orbitan alrededor del núcleo equilibrando su fuerza centrífuga con su atracción electrostática. Los átomos dejaron de ser partículas indivisibles.

Tras este modelo, basándose en los trabajos de Planck y Einstein sobre la naturaleza corpuscular y discreta de la radiación, el sueco Niels Bohr construye en 1913 un modelo cuántico del átomo de hidrógeno, en el que los electrones orbitan alrededor del núcleo atómico en órbitas discretas.

Según dicho modelo, el átomo está constituido por un núcleo, de carga eléctrica positiva, alrededor del cual hay una corteza de electrones, con igual carga eléctrica pero negativa, unida al núcleo por fuerzas electromagnéticas. El núcleo, formado por protones y, eventualmente, neutrones, es extraordinariamente pequeño, unas 100.000 veces menor que el propio átomo, y en él se concentra casi toda la masa del átomo. A las partículas del núcleo se las denomina genéricamente nucleones.

En la corteza atómica se encuentran los electrones situados en órbitas discretas. En estado natural, los átomos son eléctricamente neutros, de forma que el número de protones en el núcleo (llamado número atómico y representado por la letra Z) iguala al número de electrones en las capas externas.

Con el desarrollo de la teoría cuántica se sabe que los átomos más estables son los que poseen capas electrónicas completas, y presentan menor actividad química que aquellos que poseen capas electrónicas incompletas. Las propiedades físicas y químicas de los átomos son explicables por el número de electrones que se encuentren en las últimas capas atómicas.

En general, el número de neutrones presentes en el núcleo es variable. Dos átomos que únicamente difieran en el número de neutrones se denominan isótopos y, en general, presentan propiedades químicas similares. El número de neutrones N en un núcleo suele expresarse formando parte de su número másico A, con A = Z + N.

Aunque esta teoría es adecuada para describir las transformaciones químicas, en las cuales el átomo se comporta como una partícula indivisible, el descubrimiento del neutrón y de los fenómenos radiactivos, junto con lo inadecuado de la interacción electromagnética para explicar la estabilidad nuclear, indujo a los físicos a pensar un modelo de estructura nuclear que diera cuenta de la emisión de partículas alfa, beta y gamma en los procesos de fisión y fusión termonuclear. A pesar de lo atractivo y sencillo del modelo de universo compuesto de protones, neutrones, electrones y fotones, pronto se reveló que tampoco protones y neutrones eran indivisibles. Las investigaciones realizadas durante todo el siglo XX han propuesto un modelo en el cual los nucleones están formados por quarks, los electrones forman parte de la más amplia familia de leptones y las interacciones están mediadas por partículas bosónicas, de las cuales forma parte el fotón.

Estructura de la materia, Héctor Balastegui.cmap Estructura de la materia. Marta Albiol.cmap

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