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Dirección de mail Pienso, luego escribo

Jesús preguntaba por la energía de un átomo cuando pierde un electrón. En principio, hay que suministrar energía al átomo para convencerle de que suelte el electrón. Lo que pasa es que ese proceso puede salir rentable si el electrón va a parar a otro átomo que lo necesita, y que suelta energía cuando llega.

Lo respondo así de rápido y así de mal. No soy físico, soy biólogo y de lo peorcito; no es que no lo sepa, es que me temo que no lo sé explicar mejor con pocas palabras. Lo digo por si alguien no quiere seguir leyendo. Que lo que viene ahora es raro. Pero son cosas de principio de este siglo. Son cosas que tienen 100 años. Deberíamos conocerlas. Llevan mucho tiempo con nosotros y hacen funcionar, lo sepamos o no, muchos de nuestros aparatos. Ten en cuenta que la electricidad son electrones moviéndose. Es lo que hace que estés viendo esto ahora.

Medir la energía de un electrón, o lo que es lo mismo, intentar comprender lo que hace un electrón, es la pregunta más espinosa del siglo XX. Y, por lo que parece, también lo será en el siglo XXI. Por sus consecuencias.

No es nada fácil. Ha dado lugar a la mecánica cuántica. En realidad, también es la historia de la luz. Saber la energía de un electrón es eso… y mucho más. Si quieres, sáltate toda la historia y vete a los párrafos finales. Pero creo que merece la pena, aunque sea larga y compleja.

En un principio, para calcular la energía de un electrón, se recurrió a la analogía con sistemas planetarios. Se pensó que el electrón recorría órbitas en torno al núcleo del átomo. A eso se le ha llamado modelo atómico de Rutherford.

Ese modelo tuvo que ser refinado para explicar algunas cositas. Raras cositas. Es lo que tiene diseñar aparatos nuevos y medir con mayor precisión. Es lo que hicieron Kirchoff y Bunsen. Inventaron una cosa llamada espectroscopio. Que básicamente es como el prisma de Newton. ¿Te has perdido? No creo, porque el prisma de Newton lo has visto tú en tu casa. Cuando al pasar la luz por un cristal muestra un arco iris. Lo que hace el cristal es separar las diferentes luces que van mezcladas en un rayo luminoso.

Dispersión

Bueno, pues Kirchoff y Bunsen inventaron un aparato que hacía eso… y algo más. Lo que hacía era introducir luz, hacerla pasar por un prisma. Como Newton. La novedad consistía en que luego hacía pasar esa luz descompuesta a través de un vapor, de una sustancia gaseosa cualquiera. Se dieron cuenta que, a la salida, había unas líneas negras. No toda la luz que entraba salía. Y cada sustancia tenía sus líneas negras propias. Como si la sustancia gaseosa se hubiera comido algunos rayos de luz. De hecho, eso es lo que había pasado. Se había quedado con alguna luz. Cada sustancia se queda siempre con la misma. Las líneas negras son como una especie de código de barras, equivalente a una huella dactilar.

Viendo las líneas negras sabías de qué sustancia se trataba.

A esto se le llamó espectro de absorción. Y resultó ser muy importante, pero sólo es la mitad de la historia.

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Los espectros de absorción se usaron para identificar sustancias, pues cada una tiene sus líneas característica. Y también para identificar elementos químicos.

Paciencia. Ahora verás lo que tienen que ver los espectros con los electrones.

El espectroscopio de Kirchoff y Bunsen se empezó a utilizar también con luz procedente de sustancias que habían sido calentadas mucho. Tanto que emitían luz, su propia luz. Como hace el butano de una llama en la cocina. En vez de introducir luz blanca en el espectroscopio, como sucedía en el caso anterior, el rayo luminoso que entraba era el que producía esa sustancia calentada. Como si ardiera butano y la luz desprendida se pasara por el espectroscopio.

¡Y resultó que la luz emitida al calentar una sustancia también se descomponía al pasar un prisma! Como la luz blanca. Sólo que ahí no estaban todos los rayos. Sólo unos poquitos. Lo que se veía era unas poquitas bandas de color sobre un espacio negro. Siempre las mismas bandas para las mismas sustancias.

Este método, combinado con el anterior, se uso para investigar de qué estaban hechas las cosas. De qué átomos. Y llenamos la tabla periódica de nombres nuevos, que no conocíamos. Incluso sirvió para descubrir el helio en el Sol (filtrando la luz del Sol se vieron rayas desconocidas; de ahí el nombre) antes de que se supiera de él en la Tierra (por supuesto que aquí hay, pero se descubrió después).

Espectro de emisión tomado de www.kalipedia.com/ecologia/tema/espectros-atomicos.html?x1=20070924klpcnafyq_35.Kes&x=20070924klpcnafyq_36.Kes

Y resultó una cosa más curiosa aún. Que las líneas que emitía una sustancia al ser calentada eran las mismas que absorbía al pasar la luz a su través. Se pensó que los átomos interactuaban con la luz. En concreto, los electrones. La luz influía en lo electrones. Luego la luz podía ser la herramienta que respondiera a muchas preguntas y, al final, que nos llevara a descubrir de qué estábamos hechos (eso no se sabía a mediados del siglo XIX; hoy sabemos más, aunque no todo).

Eso es lo que pasa por investigar. Te salen cosas raras que tienes que empezar a explicar.

Los espectros se emplearon también para calcular cuánta energía tenían los electrones, que eran las partículas que se suponía que hacían cosas raras cuando les daba la luz. Y se descubrió que los electrones se quedaban con energía de la luz. Pero no con cualquier cantidad de energía, sino con cantidades precisas. Siempre la misma en las mismas sustancias. Como si el electrón no pudiera darle bocados de cualquier tamaño a la luz, sino siempre bocados del mismo tamaño. Y así era. Eso se interpretó como que el electrón, cuando recibe energía, pega saltos. Pero saltos concretos. No va a cualquier parte. Va a una distancia mayor del núcleo del átomo, pero no a cualquier distancia (ésta no es una manera muy científica de decirlo; sería más exacto indicar que el electrón adquiere mayor nivel energético, pero no cualquier nivel energético; pero es más fácil de entender de la otra manera).

Se empezó a pensar en el núcleo del átomo rodeado por electrones, sí, pero por electrones que no circulaban por cualquier parte, sino por lugares muy concretos. Como si alrededor del núcleo hubiera una pista de atletismo, con calles para correr, pero también con vacíos entre calles. Y los electrones sólo podían estar en las calles, no en los vacíos. A las calles por donde corren los electrones se les llaman orbitales.

Y a que los orbitales tengan una cantidad concreta de energía se le llama cuantización. Sí, es un nombre raro. Pero es así. Que la energía está cuantizada lo descubrió Planck.

Utilizar la cuantización para explicar el átomo es lo que se llama modelo atómico de Bohr. Y sólo funciona bien para el hidrógeno. ¡Pues vaya! Tanto follón para un único átomo. Porque sólo tenía un electrón. En cuanto aparecían dos electrones, la matemática que se suponía que cumplirían estas particulitas no funcionaba.

Había que buscar otra manera de medir los saltos de los electrones. Había que buscar otra manera de medir sus energías.

En esas, un tal De Broglie (je! decir “un tal” a un Premio Nobel no es la manera más adecuada de presentarlo) descubrió una cosa importante: todo lo que se mueve vibra mientras se mueve. Y esa vibración es inversamente proporcional a su velocidad y a su masa (cuanta más masa y más velocidad, menos vibración). Esto abría un nuevo camino para calcular la energía del electrón. Pero era raro pensar en el electrón como una onda, como una vibración. Hasta entonces se había pensado en él como una partícula, como un cuerpecillo. ¿Qué era entonces? ¿Una onda, una vibración, más parecido al sonido? ¿O una partícula, como la materia? Pues las dos cosas. Depende de cómo lo mires. Pasa algo parecido con la sombra del objeto del dibujo. Depende de como le dé la luz te sale una figura u otra. Las figuras son distintas pero el objeto es el mismo. Eso pasa con el electrón. Depende de lo que mires ves una cosa u otra, una onda o una partícula.

Dualidad onda part?cula

Un tal Schrödinger (je! otro Premio Nobel al que llamo “un tal”; además, uno de los científicos más importantes de la historia, que fue más allá, a donde Einstein no llegó), un tal Schrödinger digo, encontró una ecuación. Hoy la llamamos por su nombre: ecuación de Schrödinger. Medía, mide, la energía de los electrones teniendo en cuenta su vibración, su onda. Basándose en De Broglie. La ecuación es compleja, muy compleja. Y fue un hallazgo experimental. No surge de ninguna teoría… todavía. Sólo de los datos experimentales. De hecho, se ha parcheado la ecuación para que funcione mejor.

Y lo más interesante, funciona bien para todos los electrones de todos los átomos. La ecuación de Schrödinger describe bastante bien el modelo de Bohr. Es la matemática que necesitábamos. Bueno, eso dicen los matemáticos. Como yo no tengo el nivel para comprender cómo se resuelve la ecuación, me lo creo.

Pero hay un problema. La ecuación de Schrödinger no tiene una solución. Tiene muchas. Pero electrones sólo hay uno. ¿Cómo es que tiene muchas energías? Y todas a la vez. Bohr y muchos otros propusieron que cada solución es la probabilidad de encontrar el electrón en un sitio concreto. ¡Un momento! ¿No estábamos hablando de energía? Pues sí. Lo que pasa es que la posición del electrón tiene que ver con su energía. Así, si calculas la probabilidad de que esté en un sitio puedes encontrar la probabilidad de que el electrón tenga una energía en concreto. El sitio está asociado a la energía. Es lo que dice la interpretación de Copenhague.

¿Y para qué te cuento todo este rollo?

Por un lado, para que sepas cómo es el mundo.

Por otro para que sepas que quizá no sea así. Por que hay otra interpretación distinta a la de Copenhague. La propuso Hugh Everett, a finales de los años 50. Dice que las diferentes energías no son probabilidades teóricas, sino que realmente existen muchas versiones del mismo electrón. Que existen universos paralelos. Inicialmente se tomó el tema con mucha suspicacia, pero las matemáticas han ido avanzando y no parece ser una tontería. Es una idea muy fructífera.

Por hoy ya es mucho. Demasiado. Más de lo que quería contar en una única entrada. Mañana más. Mañana mismo. Para que esto esté calentito. Y que tendrá relación con lo raro que es el cosmos. Mañana te enseñare la forma del multiverso, ese que contiene muchos universos.

¡A dónde hemos llegado persiguiendo un electrón!

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17 Respuestas a “La energía de un electrón”
  1. jorge mercado dice:

    hola de verad felicitaciones por la sencillez y capacidad de sintesis de la explicacion soy un curioso de estos temas, un fanatico, y aun no podia enteneder mejor aun me es dificil pero quiesiera saber mas, y sobre todo sobre las imlicaciones de esto en los conceptos de vacio, ser, y consciencia, infinito y forma.

  2. ¡Hola Jorge!

    La verdad es que no te creas que yo sé mucho más allá de lo que digo. Cómo se transmiten propiedades de un nivel (partícula atómica) a niveles superiores (átomo, molécula, orgánulo celular, etc.) es fascinante. La unión entre átomos consiste en electrones circulando entre ellos, de tal manera que permanecen juntos. Así, los electrones son responsables de que existamos. Su movimiento, mejor dicho. Y de ahí hacia arriba.

    Pero reducirlo todo a electrones no sería correcto. En niveles superiores aparecen nuevas propiedades. P.ej., la vida, que no es otra cosa que moléculas tratando de no romperse.

    La conciencia es una propiedad curiosa. Es la capacidad de pensar acerca de las moléculas (p.ej.) rompiendo moléculas o uniéndolas. Pero el objetivo de la conciencia no creo que sea otro que observar el comportamiento propio y modificarlo en función de la comparación entre los resultados obtenidos y los buscados. Lo que ocurre es que es una propiedad que, una vez creada, se puede utilizar para otras funciones. Como todas las propiedades de la materia. Surgen por una razón, pero pueden funcionar en distintos contextos.

    ¡No sé si se me ha ido mucho la cabeza con la respuesta! Un saludo.

  3. laura dice:

    me parece bueno pero ¿que hay de la pregunta

  4. ¡Hola Laura!

    Si te refieres a si creo que la pregunta está contestada, pues sí, creo que lo está. Aunque era un poco inconcreta la forma en que estaba formulada y permitía múltiples enfoques, yo he elegido el que se acerca a la ciencia.

    Si es otra cosa a lo que te refieres, por favor, especifícamelo.

    Gracias.

  5. cuando un electron pierde o gana energia?

    • ¡Hola Liseth!

      Si te fijas, la energía de un electrón está relacionada con su posición respecto al núcleo del átomo. Lo que se llama orbital, vamos. Y cada orbital se corresponde con una energía. Cuando un electrón salta a un orbital superior, gana energía. Y cuando vuelve a su sitio, la pierde. Pero bueno, más o menos era lo que te decía en el post, no?

      Un saludo!

  6. sebastian dice:

    ¿por que el electron tiene mayor energia si tiene una menor masa que la de un prton?

  7. sebastian dice:

    responda xfavor es una tarea =)

  8. Erika!!! =) dice:

    ¿Un electron tiene energia constante?
    Xfa es un a tarea, gracias =D

    • ¡Hola Erika!

      El estado energético de un electrón viene dado por una serie de descriptores, que son sus números cuánticos. Para abreviar (es decir, no siendo muy exacto), te diré que según la distancia al núcleo, la forma en que se mueve en torno a él, el modo en el que gira, etc… un electrón tiene unos números cuánticos u otros.

      Te comento la segunda idea. Los números cuánticos se llaman así porque no pueden tomar todos los valores del mundo. Sólo unos concretos. Es decir, que si un número cuántico puede tomar los valores 1, 2, 3, solo esos son válidos. El 1,5 o el 2,784 están prohibidos.

      Vista esa idea, vamos a por la tercera. Se llama principio de exclusión de Pauli. Dice que no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos. En otras palabras, que no puede haber dos electrones haciendo lo mismo, con la misma energía.

      Tú, si fueras un electrón, ¿qué eligirías, los número cuánticos más altos o más bajos? Te lo pregunto de otra manera. ¿Qué asiento elegirías, el más cómodo o el más incómodo? Pues eso hacen los electrones: se colocan en el nivel energético más bajo posible.

      Eso sí, si recibe un empujón, puede saltar a un nivel energético superior, pero no mantenerse allí. Saltar sí. Incluso irse. O volver a su sitio. Pero quedarse, habiendo sitios menos enegéticos, no.

      Esta es la respuesta que te puedo dar. Más que hablar de electrones, deberíamos hablar de huecos para electrones en el átomo (o sitios, o sillas, lo que tú quieras). Y entonces te diría que sí, que sin duda cada hueco (o sitio, o silla) tiene una energía fija asignada. Y distinta de los demás huecos. Pero los electrones pueden bailar de un hueco a otro en función de las interacciones con el mundo. Así que los electrones no tienen energía fija. Y cuando están fuera del átomo, pues a la velocidad de la luz en línea recta. Así que fíjate qué variedad…

      ¡Un saludo!

  9. Silvia dice:

    ¿ Qué aporto la espectroscopia al modelo atómico de Bohr?

  10. Silvia dice:

    plis es para un trabajo practico graciassss =)

  11. karen dice:

    no se nada ok estoy en grad 13 y vivo en estados unidos

  12. helen dice:

    hola Jose gracias x la resp de la energia de un ekectron encerio no la habia encontrado ya estaba apunto de darme x vencida gracias chao cuidat

  13. Cuando hablan de la energìa del electròn, la energìa que gana o pierde cuando està en un orbital u otro. Quisiera tratar de definir energìa. Me pueden ayudar a definir este concepto?

  14. Lissette dice:

    cuando un electron tiene mas energia cuando esta cerca o alejado del nucleo porfis es una tarea l necesito con urgencia

  15.  
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