Átomo

Esta es la historia del mayor descubrimiento científico el descubrimiento de que todo está compuesto de átomos ,la variedad y riqueza de todo lo que vemos a nuestro alrededor en el mundo y más allá, el cómo están construido las cosas ,en cómo encaja todo junto, es debido a los átomos y las misteriosas leyes que siguen, los científicos investigaron profundamente el átomo, dentro del corazón de la materia, y desvelaron los secretos más impactantes de la naturaleza ,tuvieron que abandonar todo lo que ellos creían, y elaborar todo una nueva ciencia, una ciencia que hoy en día ,es la base de la física, química, la biología tal vez incluso de la propia vida.

Para mí, la historia de cómo la humanidad resolvió el misterio del átomo a la vez inspiradora y notable.es una historia de grandes genios. De hombres y mujeres impulsados por su sed de conocimiento y gloria.

Es una historia de falsos comienzos y conflictos, de ambición y revelación. Una historia que nos conduce a través de algunas de las más emocionantes y excitantes ideas. Jamás concebidas por la raza humana y para mí un físico como yo, es la historia más importante que existe.

El 5 de octubre de 1906, en una habitación de un hotel cerca de Tieste, se ahorco un científico alemán llamado Ludwig Boltzmann.

Boltzmann tuvo una larga historia de problemas psicológicos y uno de los factores clave de su depresión era que había sido vilipendiado e incluso condenado al ostracismo, por creer que hoy en día damos por descontado, a su juicio la materia no podía ser dividida infinitamente cada vez en trozos más pequeños.

En cambio sostuvo que, en última instancia, todo está compuesto de pequeños bloques, átomos. Ahora parece increíble que la revelación de Boltzmann fuese tan controvertida. Pero hace 100 años, la afirmación de que los átomos eran reales fue considerada por la mayoría como una pérdida de tiempo.

Aunque los filósofos desde los griegos, habían especulado que el mundo podría estar hecho de algún tipo de unidad básica de materia, se dieron cuenta de que eran demasiado pequeños para ser vistos incluso con los microscopios más potentes .por tanto, especular acerca de ellos, se consideró una completa pérdida de tiempo .pero entonces, a mediados del siglo 19, independientemente de si el átomo era real o no, apareció de repente una cuestión de suma importancia. La razón fue esta, el vapor. En la década de 1850, el mundo estaba cambiando .se utilizaban motores potentes en trenes, en barcos y en las fábricas de la revolución industrial.

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Averiguar cómo usarlos de manera más eficiente se convirtió en un asunto crucial desde el punto de vista comercial, político y militar. No es de extrañar entonces, que se convirtiera en la cuestión clave de la ciencia del siglo 19. La demanda para construir motores de vapor más potentes y eficientes trajo consigo la necesidad urgente de comprender y predecir el comportamiento del agua y el vapor a altas temperaturas y presiones. Ludwig Boltzmann y sus aliados científicos pusieron de manifiesto que si se imaginaban el vapor como millones de diminutas esferas rígidas ,átomos entonces se podrían desarrollar algunas ecuaciones matemáticas estas ecuaciones serían capaces de predecir el comportamiento del vapor con una increíble precisión .sin embargo estas mismas ecuaciones llevaron a Boltzmann y a sus colegas atomistas a una gran polémica, sus enemigos alegaron que ,dado loa átomos en los que se basaban los cálculos eran invisibles, estos eran solamente una civeniencia matemática en lugar de ser objetos físicos reales .afirmar que están entidades imaginarias eran reales parecía presuntuoso, incluso blasfemo. Reducir la creación a una serie de colisiones entre esferas diminutas inanimadas por lo que fue considerado irreligioso .lo más trágico es que un año antes de su muerte, Albert Einstein ya había confirmado de la existencia de átomo.

Einstein trabajaba en una oficina de patentes pero ambicionaba ser un físico destacado, así que decidió publicar varios trabajos que cambiaría la ciencia para siempre, con su trabajo de la relatividad, el comportamiento de la luz, pero el trabajo que tuvo que ver con el descubrimiento del átomo fue un breve documento que trataba sobre la forma en que los granos de polen bailaban sobre el agua. Casi 80 años antes en 1827 un botánico escoses llamado Robert Brown roció granos de polen en un poco de agua y lo examinó a través del microscopio.

En vez de ver granos flotantes en el agua, vio que los granos se movían como si tuvieran vida, a este lo llamo movimiento browniano.

Años después Einstein vio que el movimiento browniano se debía a la presencia de los átomos.

El argumento era sencillo.

El polen se moverá si este es zarandeado por otra cosa. Por lo tanto, Einstein dijo que el agua debe estar compuesta de pequeñas partículas que golpeen al polen continuamente, sino hubiera átomos el polen se quedaría quieto.

Einstein dijo para que exista el movimiento browniano deben existir átomos.

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Después de todo esto Boltzmann fue reivindicado, el átomo era real.

Dos de los hombres más extraordinarios trabajaron en el departamento de física de la universidad de Manchester entre 1911 y 1916, eran Ernest Rutherford y Niels Bohr.

Pocos años antes se habían descubierto los rayos x, par de años después en Cambridge se pudo descubrir el electrón en 1896 en Paris, se realizó el descubrimiento más importante de todos. La radiactividad. Que eran capaces de quemar hasta la piel, atravesaban metales sólidos.

Rutherford estaba obsesionado con la radiactividad.

Y junto con su colaborador Hans Geiger (famoso por el contador geiger) y Ernest Marsden, concibió una serie de experimentos con la radiactividad.

El radio fue una fuente extraordinariamente poderosa, que Rutherford había llamado rayos alfa.

En una tarde de 1909, Geiger vio que una partícula alfa, rebotaba en la lámina de oro. Calculo que solo una de cada 8000 partículas alfa hacía esto.

Pero Rutherford estaba asombrado. Era como disparar un proyectil a un papel y este rebotara hacia ti. Debido a esto Rutherford descubrir que el átomo tenía su propia estructura.

Descubrió que los electrones giraban alrededor del núcleo que el núcleo era 10000 veces más pequeño que el átomo.

Niels Bohr viajo desde Dinamarca en 1911 y se dirigió a suelo ingles a la universidad de Manchester y a Ernest Rutherford.

Para poder estudiar con precisión la estructura del átomo.

Fue darse cuenta que el espectro nos dice algo sobre la estructura interna del átomo y explicar porque hay tanto vacío.

Fue llamado salto cuántico. Y lo explico así:

Bohr dijo que el átomo era como un edificio, la planta baja está ocupada por el núcleo los electrones ocupan los pisos superiores.

Leyes misteriosas obligan a los electrones a situarse en los pisos, nunca entre ellos.

Otras leyes misteriosas hacen que a veces, puedan saltar de un piso a otro.

A estos son los que llamamos saltos cuánticos.

Cuando un electrón salta de un piso superior a uno inferior, genera luz, y además el color de la luz depende de cuán grande sea el salto cuántico que realiza el electrón. Por lo tanto un electrón que salta del tercer piso al segundo piso, podría generar luz roja. Y un electrón que salta del décimo piso al segundo piso, luz azul. Para explicar su teoría, Bohr se basó en los espectros de hidrogeno.

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Einstein se oponía a esta idea de Bohr, hasta que un día una tesis doctoral de un joven francés llego a él.

Era Louis de Broglie. Decía que el electrón de movía como una onda piloto.

Bohr en 1916 regreso a su natal Dinamarca para seguir con su teoría la cual llamarían mecánica cuántica., basada en saltos cuánticos. Fue recibido como un héroe victorioso. Su nueva condición de celebridad facilito la recaudación de fondos para la investigación.

De hecho la fábrica de cerveza carlsberg la ayudo a financiar su nuevo instituto de investigación.

Se podría decir que fue la cerveza la que ayudo a comprender los secretos del átomo.

Este instituto llego a ser uno de los principales centros de investigación teórica en física que sobrevive hasta hoy en día.

La reputación que tenía Bohr para las ideas radicales y no convencionales hizo que Copenhague fuera un imán para los físicos jóvenes y ambiciosos.

Ellos estaban deseosos de dejar su marca y ser parte de la nueva e innovadora ciencia de Bohr, que llego a ser conocida como la mecánica cuántica.

En 1924, desafiando la tradicional explicación del átomo propuesto por Einstein y de Broglie, los radicales revelaron una nueva teoría, basada en saltos cuánticos de Bohr. Y esta era aún más ambiciosa y controvertida.

En principio, fue desarrollada por Wolfgang Pauli, una de las brillantes estrellas de Bohr. Pauli partió de la idea extraña de los saltos cuánticos de Bohr, y la convirtió en uno de los conceptos más importantes de toda la ciencia.

La idea de Pauli tiene el aburrido nombre del principio de exclusión. Pero creo que un nombre mejor seria “el secreto de dios mejor guardado” porque explica la gran variedad de la creación. La idea de Pauli trataba de responder lo siguiente.

Cada átomo está compuesto de los mismos componentes. Entonces, ¿por qué aparecen en tantas formas diferentes? En una variedad tan rica de colores, texturas y propiedades químicas. Por ejemplo, oro y mercurio. Dos elementos muy diferentes. El oro es sólido y el mercurio es líquido. El oro es inerte y el mercurio es altamente toxico. Y sin embargo, defieren en un solo electrón. El oro tiene 79 y el mercurio 80. Entonces ¿cómo puede un único electrón ser causante de esta gran diferencia? Lo que hizo Pauli fue extraer de la nada otra regla cuántica. ¿Recuerda el átomo de Bohr como un edificio de varios pisos?

Con el núcleo en la parte baja y los electrones ocupando progresivamente los pisos superiores. Pauli dijo que existe otra regla cuántica que establece que cada piso solo puede acomodar a un número fijo de electrones. Por lo tanto, si sr quiere añadir otro electrón al átomo, este tiene que buscar un lugar vacante en el piso superior. Y si este piso está lleno, se creara otro piso por encima de este para que lo ocupe el nuevo electrón. De este modo un único electrón puede cambiar radicalmente la forma del átomo y esto, a su vez, afectara al comportamiento del

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mismo átomo y a la forma en que este encaje con los otros átomos. Por lo tanto, el principio de Pauli es realmente la base de la totalidad de la química y, en última instancia, de la biología.

El principio de exclusión de Pauli fue un gran avance en la mecánica cuántica de Bohr. Por primera vez, parecía haber una explicación real de la existencia de la increíble variedad que hay en el mundo que nos rodea y , posiblemente , de la vida misma. Su éxito produjo un gran agujero en la defensa de Einstein por la antigua física, y al igual que el salto cuántico, fue una de las reglas del extraño libro de la física atómica.

Pauli no explico porque su principio funcionaba.se limito a decir que funcionaba.

Einstein y los tradicionalistas lo adiaban. Para ellos, esto sonaba como arrogante y sin sentido científico. Pero, necesitaban devolver el golpe, y duramente. Hasta entonces los debates acerca de la nueva física atómica habían sido corteses y caballerosos. Ahora las dos partes desempolvaban sus mejores armas. Dos de los más grandes nombres de la física que tenían caracteres opuestos. Por la nueva ciencia revolucionaria.

Estaba un alemán estirado y competitivo llamado Werner Heisenberg. Por los conservativos estaba un elegante austriaco llamado Erwin Schrödinger. Erwin Schrödinger era apasionado, poético, filósofo y romántico. Escribió libros sobre la filosofía y la religión de los antiguos griegos, y estaba influenciado por el hinduismo. También tenía un carácter muy extravagante, fresco suave, sofisticado, una manera de vestir implacable y un gran éxito con las damas. En 1925, cuando Schrödinger tenía 38 años estuvo en suiza y comento acerca de sus semanas de física inspirada en la sexualidad, que tenía dos tareas durante la semana. Satisfacer a una mujer y resolver el enigma del átomo. Afortunadamente estaba preparado para ambas cosas. Tomo la idea de de Broglie acerca de la misteriosa anda piloto que transportaba los electrones alrededor del átomo y la llevo un paso más allá´. Sostuvo que el electrón en realidad era una onda de energía que vibraba tan rápido que parecía una nube alrededor del átomo. Una onda de pura energía con forma de nube. Lo que es más, elaboró una nueva y poderosa ecuación que describe completamente esa onda y el conjunto del átomo en términos de la física tradicional. Esta ecuación hoy en día se llama, la ecuación de onda de Schrödinger. Es increíble y poderosa y su característica principal es que muestra una nueva cantidad llamada la función de onda que según Schrödinger describe completamente el comportamiento del mundo subatómico. La ecuación de Schrödinger y la imagen del átomo que describía, creada durante unas vacaciones cargadas de sexualidad en los Alpes suizos, permitieron una vez más que los científicos pudieran imaginar el átomo en términos simples. Y los científicos amaban estas imágenes. Ellos le permitieron el uso de su intuición. Pero todavía quedaba un fastidioso problema, uno que los radicales creyeron que Schrödinger no podía resolver. Su nueva teoría todavía no podía explicar los extraños saltos cuánticos instantáneos de Bohr. Llegó el momento de que los átomos radicales golpearan de nuevo. Y llego ese momento. En el verano de ese mismo año, un protegido de Niels Bohr, Werner Heisenberg, viajaba a una oscura isla frente a la costa norte de Alemania. Era ferozmente competitivo y tomo las ideas de Schrödinger como una afrenta personal. El creyó firmemente que la rareza de los saltos cuánticos instantáneos era realmente clave para la comprensión del átomo. Pensaba que el átomo era tan único e inusual, que no debería ser descrito, usando una simple análoga, como

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una onda o una órbita, o incluso como un edificio de varios pisos. A su juicio, había llegado el momento de abandonar cualquier imagen del átomo.

Werner Heisenberg, uno de los verdaderos genios del siglo 20.y un estudiante excepcional. A la edad de tan solo 20 años, termino su doctorado, y fue cortejado por las grandes universidades de Europa.

En el verano de 1925, sufrió un ataque de fiebre del heno. Su cara estaba anchada de forma que casi no se le podía reconocer. Y decidió escapar solo, a la isla de helgeland.

Desde que se dedicó a la física atómica, sintió en visualizar el átomo, pero fracaso. Así que las describió utilizando solamente las matemáticas. Pero el átomo también desafiaba las matemáticas tradicionales. Se dio cuenta algunas propiedades como posición, velocidad y momento no cumplían la propiedad conmutativa de la multiplicación, entonces decidió usar unas nuevas matemáticas, una teoría que hoy llamamos mecánica matricial.

La mecánica matricial usa conjuntos complejos de números, como una hoja de cálculo. Mediante la manipulación de estos conjuntos, Heisenberg y su mentor, el brillante físico Max Born, consiguieron predecir con precisión el comportamiento del átomo.

Sin embargo para Einstein y los tradicionalistas, esto era pura herejía científica. Un átomo no puede ser realmente una matriz de números. Sin duda estamos hechos de átomos y no de números.

De vuelta en Copenhague, Bohr y Pauli estaban encantados con la mecánica matricial. Ellos exaltaron la pureza de las matemáticas y lanzaron ataques despiadados contra las vulgares y sensuales ondas de Schrödinger. Heisenberg escribió, “cuanto más reflexiono sobre la parte física de la ecuación de Schrödinger, más repugnante me parece.

Pero Schrödinger era tan mordaz como Heisenberg, y dijo que le repugnaba sus métodos y encontraba sus matemáticas escandalosa.

En Múnich en 1926, su enemistad comenzó a llegar al punto de ebullición. Schrödinger fue a dar una conferencia sobre su ecuación de onda. Heisenberg reunió el dinero para viajar a Múnich y asistir a la conferencia. Para finalmente verse cara a cara con su rival. Lo que estaba en juego era más que solo la reputación de Heisenberg. A su juicio, el enfoque simplista de Schrödinger no solo estaba equivocado, sino que era totalmente erróneo. Y su intención era nada menos que destruir la teoría de Schrödinger.

Schrödinger expone su teoría y su ecuación de onda ante mucho público, y al final de la conferencia Heisenberg se levanta y pronuncia un monologo atacando el enfoque de Schrödinger. Para Heisenberg es imposible tener una imagen de lo que realmente es el átomo. El público estaba del lado de Schrödinger, prefieren más la simple interpretación física que la abstracta y complicada matemáticas de Heisenberg. Heisenberg es abucheado y el público le dice que se siente y se calle. Deja la conferencia triste y deprimida.

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Heisenberg regreso a Copenhague con su confianza gravemente mermada. Allí en el instituto, él y Bohr pasaron sus momentos más oscuros. Casi toda la comunidad científica estaba en contra de ellos.

Se sintieron aislados y desesperados, a pesar de todo no renunciaron a su polémica teoría. Pero en algún momento cuando ambos debatían el significado de la mecánica cuántica, Heisenberg miro por la ventana hacia el parque de abajo, y tuvo un extraordinario pensamiento. Comprendió porque el átomo no puede ser visualizado y porque no puede ser entendido intuitivamente.se dio cuenta de que en el mundo subatómico es difícil conocer su velocidad si conocemos su posición y viceversa. La cual se le conoció como el principio de Heisenberg. Y es probablemente el concepto más profundo, increíble e inquietante de toda la ciencia.

Lo que Heisenberg descubrió al utilizar la mecánica matricial fue una característica profunda y chocante del mundo atómico. Los átomos son deliberadamente crípticos. Nunca podemos conocer simultáneamente la posición y velocidad de un átomo. El mundo atómico se niega a permitir que eso suceda.es completamente alucinante. Sin embargo ellos lo aceptaron. Ahora, Heisenberg y Bohr tenían la confianza necesaria para ser aún más audaces. Se dieron cuenta de que el principio de incertidumbre les forzaba a poner una paradoja en el corazón del átomo.

Los átomos no son simplemente imaginables. Son contradictorios en su propia naturaleza.se comportan como partículas y ondas. Y esto es muy extraño. Cuando no se observa un átomo, este se comporta como una onda. Pero cuando es observado para determinar su posición, se comporta como una partícula. Por primera vez para Bohr y Heisenberg el átomo estaba en su lugar.

En el otoño de 1927, llenos de confianza para una lucha, supieron que estaban finalmente listos para enfrentarse a los conservadores.

Para esta confrontación eligieron la conferencia de Solvay en Bruselas. Todos los principales físicos atómicos del mundo iban a asistir. Si Bohr y Heisenberg tuvieran éxito, conseguirían una revolución científica.

En la semana que duro la conferencia todos los congresistas pudieron pensar y hablar acerca de la mecánica de Bohr. El principio de incertidumbre fue uno de los temas principales de discusión y realmente se trataba de una teoría formidable. Y durante la semana se produjo el último enfrentamiento entre Bohr y su súper rival, Albert Einstein.

Einstein odiaba la mecánica cuántica. Cada mañana exponía a Bohr un argumento en contra y sentía que había creado un agujero en la nueva teoría. Bohr se iba lejos, muy trastornado, y pensaba en ello, luego volvía con un contra argumento que desmantelaba a la crítica de Einstein. Esto sucedía día tras día hasta el final de la conferencia.

Bohr había superado todas las críticas de Einstein y se consideraba victorioso.

Su visión de átomo, que paso a ser conocida como interpretación de Copenhague, se convirtió de repente en la base de la física atómica.

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Al final de la conferencia todos se reunieron para la foto del equipo.

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Nunca antes se habían visto tantos grandes nombres de la física juntos en un solo lugar.

Este fue el momento en que todo cambio para la física, la vieja guardia fue sustituida por la nueva.

El azar y la probabilidad se entrelazaron en el tejido de la propia naturaleza

Los átomos solo se podían describir con matemáticas abstractas.

La visión de Copenhague había salido victoriosa.

Aunque Einstein se fue a la tumba sin creer en la mecánica cuántica, Solvay 1927 fue el punto de inflexión el resto de la ciencia abrazo la interpretación de Copenhague. Hasta hoy en día.

La descripción del átomo basada en la mecánica cuántica es una de las glorias de la creatividad humana. Durante los últimos 80 años se ha demostrado, una y otra vez y su autoridad nunca se ha puesto en duda.es un logro científico monumental.

Entre 1905 y 1927, la ciencia ha cambiado nuestro punto de vista del mundo. También ha cambiado nuestro punto de vista de la ciencia en sí misma. Los científicos investigaron los más pequeños bloques que construyeron la materia y crearon la teoría más famosa y poderosa, La mecánica cuántica.

Nos permite describir de que esta hecho todo lo que hay en el universo, la forma en que interactúa y cómo encaja todo.

El principio de incertidumbre de Heisenberg dicta que hay ciertas limitaciones en el tipo de preguntas que podemos hacer al mundo atómico. Y lo más importante, mientras no sepamos más del átomo y su comportamiento, tenemos que renunciar a cualquier posibilidad de imaginar lo que parece.

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