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Archivo de la Categoría “Teoría atómica”

Hoy es fácil pensar en átomos, trocitos de materia. Esa idea se ha impuesto en el saber colectivo. Prácticamente cualquiera los conoce. Es una idea vieja, pero la ciencia creada para tratarlos, comprenderlos, es reciente, es del siglo XX. Es la mecánica cuántica.

¿Está hecho el espacio de trocitos, como la materia? ¿Existen los átomos de espacio?

Hay científicos, como Martin Bojowald, que piensan que sí, y que exploran las consecuencias. Para empezar, han calculado el tamaño de los trocitos de espacio, de los átomos de espacio. Unos 10-35cm. Terriblemente pequeño. Pon un cero. Luego una coma. Luego 35 ceros. Finalmente un 1. O si quieres, toma un centrímetro y divídelo en 10. Una de esas partes, divídela en 10. Y así 35 veces. Terriblemente pequeño. Lo más pequeño que hemos logrado explorar es 10-18cm. Nos falta una barbaridad.

Pensarás que estamos a mitad de camino. Ni hablar. Porque el 18 no es una base, sino un exponente. Estamos hablando de potencias. Verás, si digo 107 y lo comparo con 108, no he aumentado una unidad, sino que lo he hecho diez veces más grande. Si digo 109, lo he hecho cien veces más grande. Si el exponente es negativo, ya no hablo de más grande, sino de más pequeño. Si comparo 10-18 y 10-35, resulta que lo segundo es 100.000.000.000.000.000 veces menor. Cien mil billones de veces menor. Para que te hagas una idea, es como si quisiéramos ir al planeta Neptuno y hubiéramos avanzado medio milímetro. Así de lejos estamos de tocar los átomos del espacio, si es que existen.

La mayor consecuencia de que el espacio y el tiempo estén hechos de átomos sería que cambiaríamos de forma de pensar acerca del Big Bang. Esa teoría que dice que creemos que hubo un tiempo en que todo estuvo reunido en un punto. Todo junto. Lo que conocemos (materia, espacio y tiempo), y probablemente cosas que no conocemos (energía oscura y materia oscura, de las que te contaré algo otro día). En un punto muy pequeño. Y a partir de ahí, todo se expandió. El espacio y el tiempo se desplegaron y la materia ocupó más sitio y cambió.

¿Y a ti qué? Verás, si el espacio está tan vacío como lo está hoy la gravedad es una fuerza atractiva. Las cosas se caen, los planetas se trasladan alrededor de una estrella… Pero si el espacio está muy lleno, muy denso, con tanta cosa apretada en ese punto inicial, y realmente está hecho de átomos… Si todo eso ocurre, entonces, y sólo entonces…

¡La gravedad es una fuerza repulsiva!

Que hace que la materia se aleje. Que no quepa en algo tan pequeño. Y que lo arrastre hacia fuera, que lo expanda. Una gravedad negativa como motor del Big Bang. Explicaría tambien lo que se llama etapa inflacionaria tras el Big Bang. Una época en la que el universo se infló muy rápido. Mucho más de lo que lo hace hoy. Y explicaría porque se frenó la inflación. Porque el espacio se quedó tan vacío, al expandirse tanto, que la gravedad pasó de negativa a positiva.

Pero eso sólo es cierto si realmente existen átomos de espacio. Átomos de espacio en los que cabe cierta cantidad de materia, cierta cantidad de energía. Pero no más de un tope. Que es lo que dice la Teoría de Gravedad Cuántica.

Tomado de einsteins-theory-of-relativity-4engineers.com/quantum-cosmology.html

¿De dónde vino ese punto lleno de todo? Aquí las matemáticas ya no pueden ayudar. No todavía. O a lo mejor nunca. Pudiera proceder de otro universo anterior al nuestro, que colapsó. Es una bonita historia. En vez de Big Bang (Gran Explosión), se llamaría Big Bounce (Gran Rebote). Lo que ocurre es que no lo podemos comprobrar. No deja de ser una especulación.

¿Pero desde cuando eso frena a los físicos? La especulación, trasladada a las matemáticas es la que nos ha traído hasta aquí. Y la que nos puede llevar más lejos, a saber de dónde venimos y a dónde vamos.

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Un enlace químico es, en realidad, un par de electrones que viajan entre dos átomos (a veces entre más de dos, pero eso es otra historia). Y recorren un camino haciendo ese viaje. Si hay una reacción química, cambian los enlaces, cambian los átomos que están unidos. Algunos de ellos se separan de los que estaban ligados y se unen a otros nuevos. Eso significa que ellos electrones van a seguir caminos distintos de los que seguían antes. De ahí que haya reacciones exotérmicas y endotérmicas.

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Dicho con más exactitud, los electrones de una molécula (pongamos la A) tienen un estado energético. Y los de otra (pongamos la B) otro. Si los de A tienen un estado energético mayor que los de B, convertir la molécula A en B es exotérmico. Y convertir la molécula B en A es endotérmico.

¿Qué es exotérmico? Que libera energía. Y eso es porque los electrones siguen caminos más fáciles. Es decir, necesitan menos energía para ir de un sitio a otro. ¿Y a dónde ha ido a parar esa energía? Al ambiente, a lo que rodea a la molécula. A ti si te pilla al lado. Y notarás calorcito.

O dicho de otra manera. El estado energético de los electrones del enlace ha disminuido, se ha rebajado.

¿Qué es endotérmico? Que necesita energía. Y eso es por todo lo contrario. Porque los electrones tienen que seguir caminos más difíciles entre los dos átomos. Más difíciles que el que recorrían antes. ¿Y de donde viene esa energía? De los átomos o moléculas que hay alrededor. De los tuyos si te pilla cerca. Y notarás frío.

O dicho de otra manera. El estado energético de los electrones del enlace ha aumentado, es mayor.

Los seres vivos realizamos ambos tipos de reacciones. Las endotérmicas, para guardar energía. Son las reacciones químicas que hacen tus células cuando has comido. Las exotérmicas para romper las moléculas que se formaron en la endotérmicas. Y obtener la energía que estaba guardada. A todas esas reacciones se les llama metabolismo. A las endotérmicas se las conoce como anabolismo y a las exotérmicas como catabolismo. Más o menos. Porque, como en todo, hay excepciones. Pero más o menos, es verdad.

Y una última cosa. Dicho así, tal y como te lo estoy contando, las reacciones exotérmicas sucederían siempre. Porque la vida va de más energía a menos. Y no es verdad, no todas las reacciones exotérmicas suceden. Muchas sí, todas no.

Energ?a de activación

Porque las reacciones químicas tienen que pasar por una situación intermedia, entre cómo estaban los enlaces y cómo van a estar. Se llama estado intermedio o de transición (¡no es un nombre muy original!). Y los electrones, en el estado intermedio, tienen más energía que antes y que después de la reacción. ¿De dónde logran esa energía? Del choque de las moléculas. Pero. Pero si el estado intermedio tiene mucha energía y el choque no es suficiente, ¿qué pasará? Que por mucho calor que libere una reacción, no sucederá. Es como si la reacción tuviera una barrera. De hecho la tiene. Se llama energía de activación.

A menos que le demos un empujón. A menos que hagamos que las moléculas vayan más rápido. ¿Cómo damos empujones? Pues con una cerilla, o con luz solar, o con laser. O con una bomba atómica. Entonces sí, entonces reacciones favorables, que van a desprender energía, sí que suceden, pese al estado intermedio.

Reacción qu?mica catalizada

A la inversa, algunas reacciones endotérmicas se pueden lograr. No están prohibidas. Sólo hay que hacer más fácil la transición. Eso es lo que hacemos los seres vivos. Y lo logramos con una cosa llamada enzima cuya función es catalizar.

Otro día te cuento más, que lo de hoy ya es suficiente.

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Lo he leído en el blog “La ciencia es la única noticia”, del diario Público. Creo que es uno de esos ejemplos, de esos miles de ejemplos, de cómo investigar porque sí mejora la vida de la gente… años después. Pero la mejora.

Lo ha explicado muy bien, en tres partes, Manuel Lozano-Leyva. En la primera cuenta cómo nació una de las instituciones científicas europeas más reputadas: el CERN. De una idea común, de un proyecto que aunara países hacía cinco años enfrentados por la guerra más mortífera de la historia, la Segunda Guerra Mundial. De cómo la ciencia con metas extraordinarias requiere esfuerzos comunes, y de cómo los esfuerzos comunes mejoran la convivencia

Esta primera parte sirve para reflexionar. Individualmente, quiero decir. Si en la sociedad en la que cada uno habita hay conflictos, la resolución de los mismos pasa por acordar metas comunes. Ciencia y economía ya han demostrado eficacia como herramientas de paz. ¿En qué esfuerzos de ese tipo estás participando? ¿Perteneces o te sientes parte de algún proyecto colectivo que esté teniendo lugar en tu sociedad local? La pertenencia a colectivos no excluyentes es beneficiosa para la paz. Y la ciencia, el scire latino, es uno de los colectivos menos excluyentes.

En la segunda parte, comenta Lozano-Leyva, cómo ciencia y economía se retroalimentan. Yo creo que una economía sin ciencia que le dé de comer no es sostenible, no es creíble. La economía sólo avanza con la innovación, la innovación procede del descubrimiento. El PIB crece cuando crece el gasto en ciencia. Y el gasto en ciencia se puede aumentar si contamos con científicos. Los cuales no surgen de la nada, sino de la formación, de la educación. Así, construir un supercolisionador de partículas, un anillo de 27 kilómetros de diámetro que lanza protones a velocidades casi lumínicas para que choquen entre sí, puede hacer que tu vida, en unos años, sea más segura, más placentera, más pacífica, más justa.

En la tercera parte describe con una metáfora preciosa (¡yo soy así de sentimental, qué le vamos a hacer!) lo que quiere hacer el CERN en su último gran avance, el LHC. Y de paso te dice lo que es un hadrón. Que está bien saberlo.

Así que: vis pacem para scire.

Si no está bien declinado el latín, perdón y lo corrijo. Sólo quería decir que Vegecio, y todos lo que piensan hoy como él, en Irak o donde sea, están equivocados. Siempre lo han estado.

Trágicamente.

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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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Imaginemos que somos átomos. Y estamos con cuatro átomos amigos. Para calcular la masa atómica tenemos que mirarnos y contar el número de protones que tenemos. Eso es fácil. Todos los átomos de la misma clase tenemos el mismo núero de protones. Supongamos que tenemos 6. ¿Qué somos? Consulta en la tabla periódica. Y lo verás.

¿Ya? Sí, efectivamente somos carbono, de símbolo C.

¿Ya tenemos la masa atómica? No. No porque me faltan los neutrones. Sólo he contado los protones. Y los neutrones también pesan. ¿Qué es lo que tengo? El número atómico, pero no la masa atómica.

Nucleos atómicos

Ahora cuento el número de neutrones. Y resulta que uno de los átomos tiene 10 neutrones, otro 8, otro 6 y otro 4. Son números inventados algunos. ¿Cuál es la masa atómica? Pues la de un átomo es 16 (6+10), la de otro es 14 (6+8), la de otro es 12 (6+6) y la del último es 10 (6+4). Vale. Has visto que he sumado los protones (siempre 6) y los neutrones (variables) de cada uno.

Pero… ¿cuál es la masa atómica del C? La media. Habría que sumar la de todos y dividir por cuatro. Sale 13. Si no lo crees, haz la media. Y si te fijas, ninguno tiene 13 en realidad. El 13 es un promedio. Representa a todos los átomos de C, no a ninguno en concreto. Eso es lo que hacen las medias.

Así se calculan las masas atómicas. Por eso dan decimales en muchos casos. Consulta una tabla periódica y lo comprobarás. En este ejemplo no dan decimales porque lo he puesto sencillito. ¿Qué pasaría si en vez de tener un átomo con 6 neutrones hubiera habido dos? En ese caso, si lo resuelves, verás que hay decimales. Si quieres, déjame un comentario con la solución a ese segundo caso.

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