Ciencia: El Átomo II .

Tras completar lo imposible, la división del átomo, en un núcleo de protones y neutrones rodeado por unas órbitas casi planetarias de electrones la explicación de este modelo parecía terminada.

Por desgracia esta simplificación no respondía a las observaciones. Que distintos los tiempos del Demócrito ciego para no ser “molestado” por el mundo. Ahora el mundo real no casaba con la teoría y eso en el siglo XX sólo significaba una cosa: la teoría era errónea o incompleta. Además esta tehoría chocaba con las leyes del electromagnetismo que estaban sobradamente probadas.
Rutherford había postulado que los electrones, partículas con carga eléctrica, orbitaban alrededor del núcleo.
Según las leyes de Maxwell del electromagnetismo una carga eléctrica en movimiento (el electrón) debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que el electrón caería sobre el núcleo al perder toda su energía emitida y la materia se destruiría. Todo esto además ocurriría en un espacio de tiempo muy pequeño.
Las leyes de Maxwell son consideradas un ejemplo de elegancia y facilidad de manejo. En un principio eran trece formulas que fueron reducidas a cuatro. Ya en su época fueron deducidas a través de la experimentación con lo que estaban sobradamente probadas.
Si dos teorías se desmienten una de ellas debe ser falsa, así que el modelo de Rutherford debía completarse si no quería desaparecer.
Fue otro físico, esta vez danés quien daría con parte de la solución.

Niels Henrik David Bohr (1885-1962) decidío explicar el átomo a través de su más simple representación, el átomo de Hidrógeno.
Si bien el concepto planetario se mantiene, Bohr intenta explicar la estabilidad evidente y algo que tampoco explicaba rutherford. Los espectros de emisión y absorción de los gases.
El modelo constaba de un protón como núcleo y un electrón orbitando a su alrededor.

Pensamos en un movimiento orbital a escala planetaria, un satélite meteorológico, por ejemplo. El satélite se mantiene orbitando a 36.000 km de la tierra como nuestro meteosat.
Ahora bien el satélite puede descender y ascender gracias a sus cohetes. En el mundo de escala humana el satélite puede cambiar su órbita a 35.587 km o 36.785 km, por ejemplo. Para ello trazaría una espiral. Eso es cierto en el mundo macroscópico.
En el mundo atómico el simil no es correcto.
Los electrones no pueden estar en cualquier órbita.

Bohr determino que los electrones no pueden colocarse a cualquier distancia del núcleo, si no a distancias específicas. Es decir pueden estar a una orbita determinada o a la siguiente o a la anterior como si fuesen anillos al rededor de al núcleo.
Esos anillos son fijos y dependen de la energía del electrón. Estas orbitas serían la 1,2,3 etc... no existen las órbitas 1'3 o 1'5. ¿En que órbita se colocará el electrón? Pues dependiendo de su energía en la más cercana al núcleo que pueda. Cuando ese electrón cambia de orbita se debe a: que ha conseguido energía (térmica, por ejemplo)y entonces sube una orbita o ha perdido energía, emite una radiación (luz) y cae una órbita (un ejemplo de esto es la débil emisión de luz de los materiales radiactivos, esa fosforescencia es la energía que pierden sus electrones al cambiar de órbitas).
Si bien este modelo explicaba la estabilidad del átomo ya que el electrón no podía caer jamas sobre el núcleo (debería abandonar la órbita 1 para "descender" y eso era contrario a la cuantificación de las órbitas es decir las órbitas son 1, 2,3 etc no puede estar a 0´9 de la órbita). Para realizar el descenso el electrón trazaría una espiral y eso es imposible segun la tehoría, sólo trazan orbitas circulares. Para cambiar de órbita el electrón "salta" a la siguiente perdiendo algo de su energía. A pesar de solventar el fallo de la durabilidad aún dejaba algunas incógnitas por despejar.
El último paso quedaba por dar.

Este paso lo dio Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961) coetáneo de Bohr este austriaco completo de manera audaz nuestra visión del mundo atómico. Pero no lo hizo solo.

Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) fue un físico francés que basandose en los estudios de Einstein y Planck investigó la mecánica cuantica en su tésis doctoral: Recherches sur la théorie des quanta ("Investigaciones sobre la teoría cuántica")
Era la primera vez que se planteaba la posibilidad de que la materia fuese a la vez una onda y un cuerpo. A esto se le llama dualidad onda corpúsculo.
Esto significó una revolución: la dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa.
La importancia es tal que sacudió la física de su tiempo y permitió la comprensión del átomo como hoy lo conocemos.

Schrödinger como todo contemporáneo entendió la importancia de todo ello y lo aplicó a su modelo.
Abandona definitivamente cualquier analogía con el sistema planetario y asocia a los electrones una ecuación de onda. Esto significa que el electrón se describe no como un objeto orbitando un núcleo, sino que una orbita contiene una probabilidad de tener un electrón en ella, en una zona determinada del espacio.
Se que esto es muy abstracto pero intenta imaginar la órbita no como una linea, sino como una zona difusa en donde sabes que hay un electrón, pero no sabes (ni puedes saber)en que punto exacto. Es como un cercado lleno de niebla, sabes que el toro está allí, pero no donde exactamente.
Esos orbitales siguen los niveles de energía de bohr pero el incluir la onda como concepto permitía explicar todos los fenómenos y ademas alejaba definitivamente el mundo atómico de las leyes físicas a escala humana.
Así como la relatividad explica el mundo de lo enorme, galaxias, planetas. Nacía una disciplina que explicaba lo muy pequeño, la mecánica cuántica.

Thomson, Plank, Einstein, Bohr, Broglie, Heisemberg y Erwin Schrödinger ganaron el Premio Nobel (en distintos años) por sus aportaciones a la comprensión de la naturaleza de las cosas.

Pero el átomo ya dividido no había alcanzado aún su más intima esencia, la materia podía ser re-definida. Aún podíamos dividir lo indivisible.

Para ello era necesario un esfuerzo común que sería el orgullo y el triunfo de una especie: la raza humana.
Situado entre Francia y Suiza se encuentra el Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire el CERN. Es un laboratorio-máquina de proporciones épicas.
20 estados lo mantienen y otros 28 participan en sus investigaciones. Consta de un gigantesco anillo de 27 km de circunferencia que dispone de una serie de edificios a lo largo de la superestructura que sirven de detectores. En el interior del anillo se hace circular a velocidades cercanas a la luz partículas (como protones, por ejemplo)para que choquen entre ellas. ¿Por que?

Porque hay restos...

¿Si un protón es la más pequeña partícula con carga positiva de la composición de un átomo como es posible que de su choque salga algo más que protones?

Porque se divide...

Gracias a la máquina más grande jamás construida sabemos que existen partículas aún más pequeñas que los electrones, protones y neutrones.

La física cuantica explica que existen dos formas de materia (de Lo Que Es, como decía Demócrito), los fermiones y los bosones.

El fermión es la quintaesencia de la materia y cumplen una ley simple, no puede haber dos fermiones a la vez en un mismo lugar (por ejemplo, el electrón).

Los bosones por el contrario SI pueden estar a la vez varios en un mismo lugar, un ejemplo claro es la luz (los fotones).

Gracias a estos experimentos sabemos que: el electrón es una partícula elemental, es indivisible. No pueden ocupar el mismo espacio dos a la vez, es un fermión.

Pero no pasa lo mismo con el neutron y el protón. Ambos al colisionar dejan restos, que además son muy similares. A estos “restos” se les llama Quarks. Hay diversos tipos de quarks, en total 6. Sus nombres son singulares y no exentos de cierto humor:
Up(arriba), Down(abajo), Charm(encanto), Strange(extraño), Top(cima) y Bottom(fondo).

El neutrón y el protón se conforman con la combinación de tres quarks. El protón esta constituido por dos up y un down. El neutrón esta constituido por dos down y un up.

De esta forma el átomo lo conforman grupos de tres quarks en el núcleo unidos formando protones y neutrones. En bandas orbitales se encuentran los electrones a su alrededor.

Hoy 12 de septiembre de 2009 las cosas están así. Dos teorías enfrentadas, la mecánica cuántica (lo muy pequeño) y la relatividad (lo muy grande) coexisten para intentar entender el universo.Por desgracia ambas no se solapan, lo que hace necesario o una revisión de una o de las dos o una nueva teoría intermedia que permita unificar lo que sabemos y podemos llegar saber de nuestro universo. A eso se le llama Gran Teoria Unificada, quizas ese día podamos saber la respuesta a la pregunta de Demócrito. ¿De que estamos hechos?.

Ya sabemos muchas cosas pero eso nos enseña que aún queda mucho por saber.
Será emocionante descubrirlo.

Un saludo y que aproveche.