Átomos: los bloques fundamentales de todo lo que existe en el universo

• Los átomos son la unidad más pequeña en la que puede ser dividida la materia sin que esta pierda partículas eléctricamente cargadas (como los electrones y protones que conforman a los mismos átomos).
• Los átomos están compuestos por diferentes partículas: protones, neutrones y electrones.
• Los protones y neutrones están en el núcleo de los átomos. Por otro lado, los electrones orbitan alrededor del núcleo.
• Los protones y electrones tienen cargas opuestas: los primeros tienen una carga positiva y los otros negativa.
• El clásico modelo de átomo que vemos en las imágenes se lo debemos al científico Ernest Rutherford.
• Las imágenes que usualmente se muestran de los átomos no se corresponden con la realidad. Primero, porque los átomos son mucho más vacíos de lo que muestran las imágenes. Segundo, porque los electrones no orbitan como bolitas girando alrededor del núcleo, sino de una manera especial descrita por la mecánica cuántica.

Para entender por qué la clásica imagen del átomo es errada, primero debemos saber qué es un átomo y cuáles son sus propiedades. Como nos dice la Enciclopedia Británica, los átomos son la unidad más pequeña en la que puede ser dividida la materia sin que libere partículas eléctricamente cargadas. En otras palabras, no es la entidad más pequeña que existe. De hecho, el átomo está compuesto por diferentes partículas.

El átomo también es la unidad más pequeña que tiene las propiedades particulares de cada elemento químico. En simple, las características de un átomo determinan si este es un átomo de carbono, de oxígeno, de hidrógeno o de hierro. Más adelante explicaremos esto con detalle . Así, de acuerdo con Británica, la materia consiste en una aglomeración de moléculas, que son conjuntos de átomos unidos entre sí a través de enlaces químicos. Tanto tú, como nosotros, estamos formados por ellos.

Pero ¿de dónde salió la idea de los átomos? La idea de que las cosas están formadas por átomos no es nueva. De hecho, en la antigua Grecia, ya existían teorías que postulaban esto. Sin embargo, como explica Javier Santaolaya, doctor en física que trabajó en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), el primer modelo atómico moderno se lo debemos a J. J. Thomson, el descubridor del electrón. Para Thomson, los átomos son una masa de carga eléctrica positiva, con pequeñas masas de carga negativa distribuidas uniformemente. Algo como lo que está abajo.

A esto se lo llamó el modelo del pudín de pasas, porque se asemejaba a una masa de harina con pasas incrustadas, algo así como un panetón o un muffin. Este modelo, no obstante, demostró ser imposible tras los experimentos del físico británico Ernest Rutherford.

Como explica Santaolalla, Rutherford hizo un experimento en el que lanzó partículas alfa (que son núcleos de átomos de helio) contra una fina lámina de oro. Como resultado, se dio cuenta de que la mayoría de las partículas simplemente atravesaban la lámina y solo unas pocas rebotaban en esta. ¿Por qué sucedió esto? Rutherford concluyó que si las partículas alfa atraviesan la lámina de oro es porque los átomos de esta deben tener muchos espacios vacíos. Así surgió el modelo clásico que usualmente vemos en las imágenes, que tiene una estructura similar a la del sistema solar. Veamos a continuación cuál es esta.

Como mencionamos al inicio de este informe, la imagen clásica del átomo es engañosa. Sin embargo, nos puede servir para explicar de qué está compuesto. La imagen de abajo nos muestra este modelo. Como se puede observar, tiene un núcleo en el centro, compuesto por varias partículas, y también tiene partículas orbitando alrededor.

Pero ¿cuáles son estas partículas? Como explica Británica, cada átomo está compuesto por tres tipos de partículas más pequeñas: los neutrones, los electrones y los protones. Estas, por lo general, están cargadas eléctricamente, lo que mantiene al átomo unido. Si quieres saber más sobre esto, puedes revisar nuestro informe sobre las fuerzas fundamentales de la física.

ENTÉRATE DE MÁS: Las cuatro fuerzas fundamentales de la física

El núcleo del átomo contiene la mayor parte de su masa y, como se observa en la imagen, está formado por dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. Los protones tienen carga positiva mientras que los neutrones no tienen ninguna. Hagamos un paréntesis para entender por qué ocurre esto.

Los protones y neutrones están formados por otras partículas más pequeñas llamadas quarks. Los neutrones están hechos de un up quark y dos down quarks. No es necesario que sepas qué significa esto. Lo importante es que, tanto up como down, son dos estados distintos de los quarks. A la inversa de los neutrones, los protones están formados por dos up quarks y un down quark.

Esto es importante, pues las diferentes combinaciones de quarks generan una carga eléctrica en los protones, mientras que en los neutrones no. Los quarks tienen una pequeña carga eléctrica: los up quarks tienen una carga positiva de ⅔ la carga de un electrón y los down quarks una carga negativa de ⅓. Así, el resultado de la carga de los quarks que forman un neutrón (⅔ – ⅓ – ⅓) nos da 0. Por ello, el neutrón no tiene carga eléctrica. Por otro lado, los protones tienen una carga positiva equivalente a la carga de un electrón, solo que este último tiene una carga negativa.

Ahora, como explica Británica, la característica más importante de los átomos es su número atómico. El número atómico es la cantidad de protones que tiene un átomo en su núcleo. Esto determina qué propiedades químicas tendrá o, mejor dicho, de qué elemento será el átomo. Así, por ejemplo, el átomo de arriba que tiene siete protones es un átomo de nitrógeno. Por otro lado, un átomo de carbono tiene seis y un átomo de hidrógeno tiene solo uno.

Por otro lado, el número de neutrones en el núcleo no afecta las propiedades químicas del átomo, pero sí su masa. Así, cuando tenemos átomos con un mismo número de protones, pero con diferentes números de neutrones, decimos que estos son isótopos de un mismo elemento. Abajo, podemos ver un ejemplo con un átomo de hidrógeno. Como vemos, estos tres átomos tienen solo un protón, lo que los hace hidrógenos a todos, pero varían con respecto al número de neutrones y, por ende, en su masa; un hidrógeno con más neutrones es más pesado.

Por último, los electrones son partículas elementales (que no están formadas por otras partículas) que tienen una carga negativa equivalente a 1.602176565 × 10−19 coulombs. Ahora, como explica Británica, orbitan el núcleo porque, al tener una carga negativa, son atraídos por sus protones (de carga positiva); de la misma manera en la que los planetas orbitan alrededor del Sol. Sin embargo, esta imagen del átomo, como si fuera un pequeño sistema solar, no es adecuada, como veremos en la siguiente sección.

Como afirma José Luis Crespo, físico de la Universidad Autónoma de Madrid y divulgador científico, en realidad los átomos no son como los plantea el modelo de Rutherford y, además, no se parecen realmente a las imágenes que usualmente vemos en Internet: unas bolitas girando alrededor de un núcleo formado por otras bolitas. Esta imagen clásica tiene dos problemas principales.

Primer problema

Como explica Don Lincoln, físico del Laboratorio Nacional Fermi de los Estados Unidos, los átomos son muy diferentes a como los imaginamos. Por ejemplo, pensemos en cualquier objeto sólido. Sabemos que este objeto está formado en última instancia por átomos y, probablemente, nos imaginemos a estos como pequeñas bolitas. Tal vez haya un espacio vacío entre el núcleo y los electrones que lo orbitan, pero en última instancia son como pequeñas bolitas, tal como los vimos en los dibujos de arriba.

Según esta idea, cuando tocamos el objeto sólido o lo empujamos, las bolitas que lo conforman impiden que nuestra mano lo atraviese. Algo, como lo que vemos en la imagen de abajo. Las canicas representan los átomos que, al estar juntos, impiden que nuestra mano las atraviese.

Sin embargo, esta imagen es errónea. Los átomos no son bolitas y contienen más vacío del que te imaginas. De hecho, están principalmente vacíos. Pero ¿qué tan vacíos? Lincoln nos dice lo siguiente. Imagina que los protones y neutrones de un átomo son del tamaño de unos balines de armas a presión de aire (o BBs, como las llaman en inglés). Abajo podemos ver una imagen de estos.

Como vemos en la imagen, tenemos seis bolitas de cada color. Digamos que un color representa a los neutrones de un átomo y el otro a los protones. Así, en la mano tendríamos el núcleo de un átomo de carbono (porque tiene seis protones). ¿A qué distancia de este núcleo se encontrarían los electrones? Según Lincoln, las órbitas de los electrones podrían ser del tamaño de un campo de fútbol americano. En otras palabras, el átomo es prácticamente vacío.

¿Por qué nuestra mano no atraviesa entonces los objetos sólidos? Por la fuerza electromagnética: las cargas de los átomos de nuestra mano se repelen con las cargas de los átomos del objeto sólido, así como el polo positivo de un imán repele al polo positivo de otro imán.

Segundo problema

El segundo problema del modelo de átomo de Rutherford está más bien a un nivel teórico. Este no puede explicar la estabilidad de los átomos. No puede explicar por qué simplemente los electrones no caen al núcleo. Explicar por qué sucedería esto es complejo; sin embargo, Crespo nos da una analogía que puede ayudar a que lo entendamos. Si quieres ver una explicación más completa de la que leerás en esta sección, puedes ver también el siguiente video.

Imaginemos que tenemos una rueda de bicicleta y la impulsamos para que gire. Mientras está girando, la metemos al agua. Ya dentro de esta, veremos que poco a poco la rueda empezará a perder energía e irá frenando. Algo similar debería suceder con los electrones del modelo de Rutherford al girar alrededor del átomo. Al estar acelerando dentro de un campo magnético, estos perderían energía y finalmente serían atraídos completamente hacia el núcleo. Sin embargo, esto no sucede. El modelo de Rutherford no puede explicar por qué.

Tiempo después, Erwin Schrödinger logró resolver este problema mediante un modelo matemático. Sin embargo, este nuevo modelo cambió completamente nuestra comprensión de lo que es un átomo. Como explica Crespo, los electrones orbitan el núcleo pero lo hacen de una manera cuántica y las reglas de la mecánica cuántica son muy diferentes a lo que estamos acostumbrados.

Una de estas reglas es que los objetos cuánticos, como los electrones, no tienen que estar en una posición concreta del espacio o moverse a una velocidad concreta. La mayoría de veces, todas estás propiedades pueden estar indeterminadas. ¿Qué significa todo esto? De acuerdo con Crespo, no debemos imaginarnos un electrón como si fuera una bolita que sigue un camino, sino que en realidad el electrón no tiene una posición definida en el espacio. Por ello, los científicos expresan esta indeterminación como una nube. En el video de abajo, podemos ver una representación más exacta de un átomo.

Ahora, esta indeterminación la expresamos con una función de onda. Pero ¿qué es una función de onda? Si esta última parte te ha parecido complicada, no desesperes, pues en la siguiente sección lo entenderás con más detalle.

En simple, las funciones de onda describen el comportamiento de los electrones y otras partículas. Sin embargo, describen este comportamiento de una manera especial. Jade Tan-Holmes, estudiante de física y comunicadora científica lo explica de la siguiente manera.

Lo primero que debemos entender es qué es una función. En simple, una función es un proceso por el cual introducimos un valor y terminamos con otro. Por ejemplo, F(x) = x + 2. En esta función, si reemplazamos la x por cualquier número, nos dará un resultado. Por ejemplo, si la reemplazamos por el número 3, nos dará como resultado 5.

Ahora, las funciones nos pueden ayudar a calcular el comportamiento de objetos en la vida real. Por ejemplo, imaginemos un auto que va a velocidad constante. Cada segundo avanza 10 metros en línea recta. Así, podemos hacer una función que nos diga cuánto ha avanzado cada segundo. Esta tendría la siguiente forma: F(t) = 10*t. En esta función, t representa el tiempo en segundos. Cada segundo que pase, el auto avanzará 10 metros. En el gráfico de abajo podemos ver la evolución del comportamiento de nuestro auto. Como vemos, hay una línea que traza, segundo a segundo, cómo se ha movido nuestro auto.

Las funciones de onda nos sirven para describir el comportamiento de un electrón. Tan-Holmes nos pone el ejemplo clásico de una clase universitaria. Veamos el siguiente gráfico. Así como en el caso del auto que iba avanzando, tenemos una línea que describe el comportamiento de un electrón. Sin embargo, esta línea, aparte de ser curva, describe el comportamiento de una manera especial.

Para que sea más simple explicar qué quiere decir la línea, imaginemos que el electrón está encerrado en una caja. Adicionalmente, imaginemos que esta caja tiene solo una dimensión: el electrón puede moverse a la derecha y a la izquierda, pero no arriba o abajo. En este escenario, el eje X describe los lugares de la caja donde podría encontrarse el electrón. ¿Qué describe el eje Y?

Para entenderlo, debemos primero elevar la función al cuadrado. Recordemos que esta gráfica parte de una función matemática. Sin embargo, no es necesario pensarlo en números para entender lo que sucederá. Basta decir que, tras un procedimiento matemático, podemos cambiar la línea a algo como lo que está abajo.

A esta nueva curva, se le llama amplitud de probabilidad y lo que nos dice es que tan probable es encontrar al electrón si lo buscamos en ese punto de la caja. Así, es mucho más probable encontrarlo si lo buscamos en los picos de la onda y menos probable a medida que nos acercamos al eje X.

Cabe resaltar que no es que el electrón se encuentre en algún lado en específico y que la onda nos diga dónde es más probable que se encuentre. En realidad, como explica Crespo, el electrón no tiene una posición definida. Solo si lo forzamos al buscarlo, adoptará esa posición. Sin embargo, si no lo buscamos, no adoptará ninguna posición en específico. Esto suena muy extraño; sin embargo, el mundo de lo cuántico es muchas veces tan abstracto que es difícil de entender. Así, una mejor forma de representar un átomo es como los ejemplos de abajo, que provienen de un átomo de hidrógeno. 

En el ejemplo, vemos algunas formas de representar a un átomo de hidrógeno. Las diferentes «nubes» que nos presenta la imagen son lo que los físicos denominan como «orbitales», esto es, la función de onda o los lugares más probables en los que puede encontrarse un electrón si lo buscamos. Pero ¿por qué observamos distintos orbitales si se trata de un mismo átomo? La razón está en que los átomos de un mismo elemento pueden tener orbitales distintos dependiendo de las propiedades particulares de sus electrones, como la energía de los mismos o sus movimientos. Cabe reiterar, no obstante, que si no buscamos a los electrones, estos tienen una posición indeterminada. Es decir, realmente no tienen una posición definida. Así, esta es una representación más adecuada de los átomos.

Otra cuestión importante es que los orbitales representan la región en la que es un 90% probable que esté el electrón si lo buscamos. Esto significa que es posible que si buscamos un electrón no lo encontremos en los orbitales. De hecho, el electrón podría estar en ese momento en cualquier otra parte del universo, incluso a miles de años luz de distancia del núcleo. Increíble, ¿verdad?

Como vemos, nuestro entendimiento acerca de los átomos ha cambiado radicalmente en las últimas décadas. Hoy la ciencia ya no comprende a los átomos como objetos parecidos a un muffin o a un sistema planetario minúsculo. Más bien, los átomos son representados de manera más exacta en las imágenes en las que podemos observar sus orbitales. Esta manera de entender a los átomos nos ayuda no solo a tener una mejor comprensión de su naturaleza, sino también a elaborar tecnologías como relojes atómicos que son útiles para tecnologías que requieren de gran precisión como el GPS.