Historia Del átomo

LA HISTORIA DEL ÁTOMO: DE LOS GRIEGOS A FARADAY Y MAXWELL

II.1. INTRODUCCIÓN

EN EL siglo V a. C., los griegos sugirieron que la materia está compuesta de partículas elementales indivisibles. Su intención era explicar las propiedades de la inmensa variedad de sustancias encontradas hasta entonces con base en las de un número reducido de materiales elementales. La esencia de estas sustancias, pensaban ellos, se encontraba presente aun en la cantidad más pequeña que se pudiese obtener: los átomos (= indivisible).

Los antiguos griegos también intentaron entender la naturaleza de la luz y de la electricidad, sin sospechar su conexión con la estructura de la materia. Discutían sobre si la luz se transmite instantáneamente de su fuente al observador, o se transporta a una velocidad finita. En cuanto a la electricidad, Platón, en uno de sus Diálogos, habla de "las maravillas de la atracción del ámbar", refiriéndose a una resina amarillenta que al ser frotada con piel atrae a objetos ligeros como el pelo (la palabra  es la voz griega que significa ámbar). Otra fenomenología conocida desde entonces era el magnetismo, bautizada así en honor al material que presenta esta propiedad en forma natural: la magnetita.

En este capítulo se revisará por separado la evolución independiente de los conceptos de luz, electricidad y magnetismo hasta su fusión hacia fines del siglo XIX. Simultáneamente seguiremos el camino de la hipótesis atómica, con base en el progreso de la química durante el mismo periodo.

II.2. LA ELECTRICIDAD Y EL MAGNETISMO

La capacidad de la magnetita para orientarse con respecto a la tierra fascinó a los antiguos, quienes pronto pudieron aplicarla a la navegación. Hacia fines del siglo XVI el inglés William Gilbert fue el primero en utilizar métodos científicos al estudio de la atracción que ejerce la magnetita sobre algunos metales y la repulsión que ejerce sobre sí misma en cierta orientación. Gilbert mismo fue el primero en sugerir que la tierra posee un campo magnético.

En cuanto a la electricidad, aunque era un fenómeno menos útil, en la Edad Media ya se sabía que, además del ámbar, otros materiales como el vidrio y el copal mostraban propiedades eléctricas. La variedad de estos materiales sugirió que la electricidad no era una propiedad intrínseca de las sustancias sino una especie de fluido que se producía o transfería al frotar o tocar unos materiales con otros. Sin embargo, también se observó que la electrificación no sólo causaba la atracción sino la repulsión entre algunos objetos.

En 1773 el químico francés Charles-François de Cisternay Du Fay observó que las limaduras de hierro, luego de estar en contacto con vidrio electrificado, se repelían entre sí, aunque eran atraídas por otras que habían estado en contacto con resina electrificada. De ahí surgió la idea de electricidad vítrea y electricidad resinosa como dos versiones diferentes del mismo fenómeno. Hacia 1745 el norteamericano Benjamín Franklin llegó a la conclusión de que se trataba de un solo tipo de fluido constituido por partículas extremadamente pequeñas.

En el modelo de electricidad de Franklin la materia se comportaba como una esponja capaz de absorber, contener y ceder partículas de electricidad. Así, al frotar ámbar con piel, las partículas pasaban del primer material al segundo y en forma opuesta cuando se frotaba vidrio con seda. Franklin se refería al exceso de electricidad como carga positiva, y carga negativa en el caso contrario. Un concepto implícito en estos razonamientos es el de la conservación de la carga. Pronto se complementaron las ideas de Franklin con el postulado de que cuerpos cargados de un mismo signo se repelen entre sí y aquellos cargados de signos opuestos se atraen.

II.3. LA LUZ

En lo que se refiere a la luz, la antigua polémica sobre su velocidad permaneció como un tema abierto durante muchos siglos. Una de las primeras evidencias sobre su magnitud finita fue presentada ante la Academia Francesa en 1666 por Ole Roemer, un danés radicado en París que llegó a ser tutor del delfín. Roemer basaba su teoría en la observación astronómica de los eclipses de una de las lunas de Júpiter. Al igual que con los otros planetas, la Tierra se acerca y se aleja de Júpiter en la medida en que recorre su órbita. Las lunas de Júpiter, en sus propias órbitas, se ocultan (eclipsan) tras el planeta con una frecuencia constante. Luego de repetir varias veces las medidas del periodo de los eclipses de la primera luna de Júpiter, Roemer observó que se daban periodos más cortos cuando la Tierra se acercaba a Júpiter que cuando se alejaba. Roemer atribuyó este efecto a la velocidad de la luz y estimó que ésta tardaría 22 minutos en cruzar la órbita terrestre. Desgraciadamente, dado que el diámetro de la órbita terrestre era desconocido en ese entonces, Roemer no pudo dar un valor a la velocidad de la luz.

No sólo la velocidad sino la naturaleza misma de la luz intrigó también a científicos de todos los tiempos. A finales del siglo XVII, el inglés Isaac Newton consideraba que la luz consistía en un haz de corpúsculos, mientras que otros como el holandés Christian Huygens aseguraban que se trataba de un fenómeno ondulatorio. El principal argumento de la hipótesis corpuscular era que la luz viaja en línea recta y proyecta sombras bien definidas, contrariamente al comportamiento de ondas como las de sonido que pueden rodear obstáculos. El principio de Huygens establece que, al igual que el sonido, la luz se propaga por frentes de onda. Las partículas de este frente actúan como nuevas fuentes, con lo que causan que sus vecinas vibren con la misma frecuencia. Este modelo explica satisfactoriamente fenómenos como la refracción.

La refracción ocurre cuando la luz pasa de un medio a otro de diferentes propiedades ópticas y su manifestación más común es la impresión de que los objetos rectos, como un lápiz, se doblan al ser sumergidos parcialmente en el agua. El ángulo al que parecen doblarse los objetos se conoce como ángulo de refracción. Este fenómeno había interesado ya a Ptolomeo, quien en el siglo II notó que el ángulo de refracción dependía de los materiales sobre los cuales se hacía incidir la luz, y al árabe Al Hazen, quien, a fines del siglo X, dedujo varias relaciones geométricas importantes entre el ángulo de la luz incidente, el de refracción y el plano de la superficie de contacto entre los medios. El tratado de óptica de Al Hazen fue posteriormente traducido al latín y era un texto conocido cuando en 1621 el holandés Willebord van Roijen Snell encontró que el cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante característica del medio, que se denomina índice de refracción. Posteriormente el abogado y gran matemático francés Pierre Fermat dedujo la ley, hasta entonces empírica de Snell, suponiendo que existía una diferencia en la velocidad de propagación de la luz en cada medio.

El argumento de Fermat considera la trayectoria que seguiría la luz para viajar de un punto (A) en un medio en que su velocidad (V) es mayor, a otro punto (B) en un medio en el que la velocidad de la luz (V') es menor (véase figura 1).

Figura 1. Principio de Fermat. La luz viaja de A a B siguiendo la trayectoria que minimiza el tiempo.

La hipótesis de Fermat es que la trayectoria preferida sería aquella en que la luz tardase menos en llegar de A a B. Tómese como ejemplo el paso de la luz del aire al agua. Si denotamos como P al punto intermedio en que la trayectoria corta la superficie del agua, es claro que V = V' implica que A, P y B están alineados. Sin embargo, si V es mayor que V', para hacer más corto el tiempo de recorrido conviene aumentar la longitud de la trayectoria en el aire y disminuirla en el agua donde viaja más despacio. Es decir, el segmento AP sería mayor que en el caso V = V' y el PB menor. Por lo anterior, A, P y B no estarán alineados y el cociente entre el seno de los ángulos que forman AP y PB con la perpendicular a la superficie del agua en el punto P resulta ser igual al cociente V/V' que es el índice de refracción de Snell.

La hipótesis corpuscular fue sostenida en 1644 por el filósofo francés René Descartes, y posteriormente por Newton, quienes explicaban el fenómeno de la refracción como el efecto de una fuerza, de atracción en el caso del paso de aire a agua, que sólo actuaba sobre las partículas de luz durante el instante en que éstas cambiaban de medio. Esta fuerza, perpendicular a la superficie que separa a los medios, provocaba una aceleración en las partículas. Es decir, según el modelo corpuscular descrito por Newton en su trabajo Optiks, publicado en 1704, la velocidad de la luz debería ser mayor en el agua que en el aire. Por otra parte, la explicación que da Huygens en su Traitè de la Lumière, publicado en 1690, implica que las ondas luminosas viajan a mayor velocidad en el aire que en el agua. Bastaría entonces con medir la velocidad de la luz en ambos medios para resolver el problema. Sin embargo, pasó mucho tiempo antes de que esto ocurriera. Mientras tanto, la química dio un paso enorme en el entendimiento de la estructura de la materia.

II.4. DALTON Y LOS PESOS ATÓMICOS

Hacia 1802 el inglés John Dalton encontró ciertas relaciones entre las masas de una gran variedad de elementos. Nacido en 1766, hijo de un tejedor, a principios del siglo XIX encontró que las cantidades relativas de elementos necesarias para formar un compuesto químico son siempre las mismas. Por ejemplo, para formar agua son

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