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De la materia palpable al átomo

El átomo es una figura fundamental en la química y física modernas. No obstante, algo tan básico y conocido a día de hoy ha sufrido una serie de moldeados teóricos a lo largo de la historia que han desembocado en nuestra concepción actual.  La historia del modelo atómico ha estado lleno de teorías controvertidas, vacíos experimentales y muchas veces se ha aguantado con pinzas. Lo importante del modelo hasta hace tiempo no era si podía dibujarnos un átomo sino explicar la materia desde su base más sólida junto a sus interacciones.

Estructura y partes del átomo.

Estructura y partes del átomo.

 

Si no existiera habría que inventarlo.      

Parafraseando a un gran pensador, esta frase resume el nacimiento del átomo como concepto en la humanidad. De la Filosofía Griega – que se preguntaba sobre los temas básicos de la realidad visual  el entorno y el constituyente las macroestructuras – nació este término. Aunque algunos filósofos de la época, como Demócrito y su discípulo Leucipo, teorizaron sobre tal; ninguna base sólida parte de un experimento o cálculo, por lo tanto no aportan ninguna prueba científica de que sus escritos sean de notable consistencia.

Un salto de 15 siglos en adelante mueve a diferentes científicos a crear un modelo, siendo el primero de ellos el modelo de Dalton.

Se postula durante la primera década del siglo XIX. Dalton suponía que el átomo era una esfera diminuta. Omite la existencia de cuerpos con carga, como protones y electrones. La caracterización de Dalton sobre los átomos no da tanta importancia a su estructura sino a sus interacciones. Caracterizaba con las mismas propiedadess cuantitativas a los átomos que formaban un mismo compuesto químico. Como curiosidad cabe destacar que para Dalton, el átomo era indivisible y en ninguna reacción química para formar compuestos éste sufría alguna división. Dejó entrever que los átomos se relacionan, es decir, tienen diferentes formas de crear compuestos que hoy conocemos como moléculas.

Como podemos ver, algunos aspectos nos pueden parecer precarios en cuanto a su estructura actual y otros un tanto desorbitados para los físicos teóricos como la indivisibilidad atómica. Sin embargo, se aproxima peligrosamente a la realidad cuando presupone relaciones atómicas de diferente tipo. El modelo de Dalton se basa en conceptos simples que supondrán el germen de la evolución de teorías del átomo y del modelo actual.

Modelo de Dalton o "bola de billar".

Modelo de Dalton o “bola de billar”.

Casi un siglo después – a finales del XIX – , Thomson llega a una conclusión experimental que resulta fundamental. Hay dos partes claramente diferenciadas en el átomo, una negativa y otra positiva. Las cargas negativas se incrustaban en una gran masa positiva de manera que entre ambas cargas neutralizaban su efecto quedando en estado neutro. A estas conclusiones llegó a raíz del uso de rayos catódicos. Aunque este material no le permitió darle una base teórica lo bastante sólida como para definir una estructura correcta consiguió establecer el sistema de cargas pero sí para definir los conceptos de iones a base de la ganancia y pérdida de electrones. No pudo explicar otras radiaciones pero sirvió de inspiración para el modelo de Rutherford. Como curiosidad, Jean Perrin, un premio Nobel de 1926 modificó el modelo de Thomson para situar los electrones algo más externos a la carga positiva.

Modelo de Thomson.

Modelo de Thomson.

 

En 1911, el experimento Rutherford consolidó la fisionomía del átomo para los siguientes 50 años, al menos a nivel estructural. Rutherford dispone de una fuente de rayos alfa que proyecta sobre una lámina de oro. En el supuesto caso del átomo de Thomson, los rayos alfa atravesarían el núcleo positivo sin desviar ni un ápice su trayectoria. Esto fue un resultado generalizado para su experimento puesto que en muchas réplicas la trayectoria del rayo fue desviada. Esto es debido a que la presencia de electrones se halla en una situación externa, no involucrada en el núcleo. Con experimentos posteriores demostró la existencia del neutrón hacia 1920. Para su detrimento, no explicó las leyes de Maxwell y sus ecuaciones para el electromagnetismo que dictaban que la energía que desprendía el electrón en movimiento terminaría por hacer a éste caer sobre el núcleo que orbitaba. Tampoco pudo explicar la interacción magnética con la materia.

Modelo de Rutherford.

Modelo de Rutherford.

El modelo que lo precedió fue el modelo de Bohr. Se considera el primer modelo moderno ya que la esctructura comprendida estaba comprobada y solo debía los enigmas a efectos cuánticos. Los electrones se sitúan a ciertas órbitas y pueden moverse entre ellas emitiendo o absorbiendo energía bajo el lema E = hf. Aunque la idea de órbitas era razonable Bohr nunca la pudo demostrar.

Modelo de Bohr.

Modelo de Bohr.

 

Edwin Schrödinger también toma asiento en el debate atómico. Parte de las ecuaciones de De Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de la materia para aplicarlas sobre el electrón. Describe orbital, la zona de máxima probabilidad para encontrar un electrón en un tiempo t determinado y describe la ecuación de Schrödinger. A partir de aquí derivarán los tres números atómicos conocidos para orbitales. Sobre este modelo se cimentarían el Principio de incerteza de Heisenberg que dictamina como imposible conocer el espín y velocidad de un electrón. El espín, no derivará de la ecuación del modelo, es una propiedad intrínseca del electrón que corrigió Pauli.

Átomo de Schrödinger.

Átomo de Schrödinger.

 

En cuanto a la actualidad, el modelo atómico ha evolucionado hacia la definición de partículas subatómicas y diferentes tipos de interacciones entre ellas, pero este tema merece una entrada a parte.

La historia de los modelos atómicos ha sido controvertida y a día de hoy se sigue escribiendo: sin un modelo no nace otro al igual que sin una pregunta no nace una respuesta. Desde Demócrito hasta al CERN, todos son culpables de que poco a poco tiremos más del hilo deshaciendo la maraña de la estructura de la materia.

Riesgo en el Laboratorio

En un principio la ciencia – mas concretamente la investigación – no parece ser una profesión de riesgo. Asumimos que existen muchos oficios donde el trabajador queda expuesto a un peligro como los de conductor, electricista o albañil. Evidentemente, que un carpintero pueda sufrir daños laborales no implica una alta probabilidad de acontecer un daño inminente y potencialmente grave para la salud. En esta tesitura sindical tenemos los gremios mineros o alpinistas, donde desgraciadamente la inseguridad es un factor clave.

Yo me atrevería a añadir que profesionales de sectores concretos de la investigación se exhiben a amenazas laborales que comprometen su integridad física tanto como un escalador. Aunque si bien es cierto – y los datos lo refutan – que la seguridad se plantea de tal manera que la cobertura es máxima para los trabajadores, el peligro siempre acecha.

Antes de nada cabe añadir que nos alejaremos de aquellos lances que podemos considerar accidentes laborales comunes – desde cortes y golpes hasta incendios – puesto que éstos acontecen a cualquier tipo de empleo sin distinción especial en ciencia. Dicho esto, nos disponemos a analizar los máximos peligros que se presentan en áreas muy dispares y sobre los que la seguridad centra su foco principal de atención:

  • Laboratorio de microbiología o cultivos celulares. Las instalaciones se clasifican en cuatro estadios (laboratorios tipo I a IV) según el grado de patogenicidad de las células que son autorizadas. Por ejemplo, en un emplazamiento de tipo II se permite trabajar con linajes celulares humanos, vegetales y patógenos que no presentan ningún peligro. Así encontramos células de riñón, esqueje o E. Coli. Sin embargo en laboratorios tipo IV se puede investigar con Ébola, Marburg y otros virus hemorrágicos.

 

Laboratorio tipo IV.

Laboratorio tipo IV.

 

Se conocen casos aislados de infecciones leves con E.Coli o virus de la gripe por problemas en su manipulación. Es fácil pincharse o verter contenido bio-peligroso. Más allá de estas eventualidades, radicalizando a su máximo exponente esta ejemplificación vamos a irnos hasta Rusia. El país más grande del mundo guarda uno de los dos últimos reservorios de Viruela – junto a Estados Unidos – que se conservan de forma oficial alrededor del globo. Bajo muchísimos pretextos diferentes, las peticiones de destrucción de la cepa han sido denegadas consecutivamente. Hace unos años un percance técnico liberó al virus en un recinto del laboratorio que lo contenía, infectando a 77 trabajadores que acabaron por fallecer.

  • Trabajo con Animales de Laboratorio: Ya menos probable que en el caso anterior. Las normas para trabajar con animales de laboratorio exigen una formación e indumentaria altamente segura. Pero como ya vimos en la entrada de animales de laboratorio ¿qué es lo realmente peligroso de trabajar con ellos? A simple vista apreciamos que un ratón, gusano o perro no son bestias agresivas entre especies. La espuela de su cría y manipulación yace en la zoonosis. Este fenómeno consiste en la transmisión de virus animales fácilmente transmisibles entre ellos pero que pueden saltar de especie. ¿Y cómo? A través de aerosoles, contacto accidental con fluidos o transmisión sanguínea …
Esquema de transmisión de virus entre operario y animal.

Esquema de transmisión de virus entre operario y animal.

Las mordeduras de roedores son especialmente peligrosas debido a este último punto.

  • Laboratorio de Química: La prevención de riesgo laboral cobra especialmente sentido en un campo tan amplio. Cabe tener en cuenta que algunas propiedades de muchos compuestos son especialmente nocivas para los operarios:

a)      Volátiles: Sustancias que se evaporan con suma facilidad. Es el caso del cianuro.

b)      Explosivos: Como la nitroglicerina,  el principio activo de varios fármacos.

c)       Carcinogénicos: Como el bromuro de etidio, suelen ser moléculas que atraviesan o intercalan en la doble hélice de ADN.

d)      Inflamables: La legislación acepta almacenar hasta 100 litros, como son el butadieno o propileno.

e)      Radiactivos: Que le pregunten a los señores Curie en la Francia de principios de siglo pasado. Polonio, Radio o Tecnecio – usado en gammagrafías  – son ejemplos.

Símbolos que indican la peligrosidad de los compuestos.

Símbolos que indican la peligrosidad de los compuestos.

  • Laboratorio de Física: Hemos reservado hasta el final el lugar más inhóspito para dejarse caer entre el azar de las desdichas laborales. Alguno pensará que entre integrales, transformadas y cocientes es difícil salir escaldado pero ahora veremos que no  tiene porque ser exactamente así.

Para ello vamos a hablar del inimaginable caso de Anatoli Burgoski. El científico, que realizó su tesis doctoral en física de partículas, trabaja en el mayor acelerador del país. Un día de reparaciones, cuando la fuente del acelerador debiera estar apagado, el pobre de Anatoli se encontraba con medio cuerpo dentro de la instalación sustituyendo piezas cuando fue impactado por un haz de protones que le atravesó el cráneo casi a la velocidad de la luz.

Por suerte, el señor Burgoski sobrevivió – y aún vive, que nació en el 42 -. Relató décadas después – tras el hermetismo soviético – que no sintió dolor durante el impacto pero que el destello era de una intensidad  “como la de mil soles”.  Anatoli consiguió finalizar su tesis doctoral y alcanzar el puesto de Director de Experimentos de su departamento, de lo que se deduce que el accidente no afectó a sus capacidades de raciocinio.

Trayectoria de impacto del haz en Anatoli.

Trayectoria de impacto del haz en Anatoli.

Los efectos inmediatos de la colisión resultaron en quemaduras de tejido cerebral y piel en zonas atravesadas por el haz. Perdió la audición del oído izquierdo y sufrió persistentes ataques epilépticos. En el fondo no es nada para lo que cabría esperar del infortunio. Se creía que nadie sobrevivía a choques con haces de una potencia 200 veces inferior a la que le impactó.

Con esta entrada he tratado de recoger los casos más paradigmáticos de los riesgos que conlleva ser técnico de cada laboratorio, que para nada son una muestra representativa pero permiten que nos hagamos una idea de que la ciencia no es una profesión tan liviana.

 

Medición de la circunferencia de La Tierra utilizando el método de Eratóstenes

Este sencillo experimento es considerado como uno de los mejores de la historia de la humanidad y demuestra lo que puede llegar a realizarse con un poco de curiosidad por avanzar en el conocimiento de lo que nos rodea. Las fuentes utilizadas en la elaboración de este artículo han sido fundamentalmente:

  • Bibliografía, el libro “De Arquímedes a Einstein: los diez experimentos más bellos de la Física” de Manuel Lozano Leyva
  • La serie en DVD “Cosmos” de Carl Sagan.

Eratóstenes de Cirene (273-194 a.C.)

La longitud del meridiano que pasa por los polos terrestres es de 39.942 km. La mejor medida del meridiano en la antigüedad data del año 235 a.C. y la llevó a cabo Eratóstenes, uno de los directores más ilustres de la Biblioteca de Alejandría. Read more →