(Ciudad Gótica).-  Ya ha pasado algún tiempo desde que terminó mi participación en la elaboración de un libro de ciencias para niños, una experiencia estupenda que repetiré sin duda y a título personal. Hoy, revisando una revista de ciencias, encontré un artículo y recordé casi instantáneamente lo difícil que fue transmitir a los niños aquello que alguna vez estudié en los cursos de mecánica cuántica. Ese artículo trataba sobre las diferentes formas de representar el átomo, ya sea por los físicos, químicos o biólogos. En este post trataré de describir al átomo, de tal forma que cuando se lo expliquemos a los niños, puedan entenderlo y no perdamos el rigurosidad.

Si escribimos la palabra átomo en un buscador de internet, nos daremos cuenta que el dibujo más común y corriente para describir un átomo es el que se muestra en el centro de la Fig. 2. Este dibujo representa el núcleo atómico y los electrones “orbitando” al fiel estilo de los planetas alrededor del Sol. Esta forma de representar al átomo como un sistema planetario es conocido como el modelo de Rutherford y fue formulado en 1912. Si este modelo fue formulado hace tanto tiempo ¿por qué tendría que explicárselo a los niños como si fuera el actual? En la Fig. 2 podemos observar la evolución en los  modelos atómicos, desde el modelo de átomo indivisible formulado por los griegos,  pasando por el “pastel de pasas” propuesto por Thomson, hasta llegar a la cuantización de los niveles energéticos, conocidas como órbitas de los electrones, propuesta por Bohr y la “nube electrónica” propuesta por Schrodinger en 1924.

Fig. 2. Modelos atómicos propuestoa a través de los años

Es importante explicarles a los niños sobre cómo está constituido un átomo. Empecemos definiéndoles que hay dos regiones bien marcadas en un átomo, el núcleo y sus alrededores. El núcleo está constituido por neutrones y protones, ubicados en el centro del átomo. Mientras que en los alrededores, en una región llamada “nube electrónica” se encuentran los electrones, los cuales son mucho más livianos que los protones y neutrones. Esta región vendría a ser, en los modelos propuestos por Thomson y Bohr, las órbitas. El núcleo se puede dividir, en contra de lo que pensaban los griegos, liberando mucha energía. Esta reacción se llama fisión nuclear, utilizada en las bombas atómicas. También hay que explicar que existen partículas mucho más pequeñas que los electrones, llamadas partículas sub-atómicas como los quarks, los neutrinos o el recientemente descubierto Boson de Gibbs. Por lo tanto, existe algo más pequeño que el átomo (lo siento amigos griegos).

Fig. 3. Regiones en donde podemos encontrar a los electrones según sus números cuánticos.

Pero bueno, lo que nos interesa es explicar es que los electrones no se encuentran girando en órbitas circulares, sino más bien en regiones con formas características. Estas formas (regiones) las cuales son mostradas en la Fig. 3 dependen de la energía del electrón, del mismo que no es posible afirmar su posición exacta. Lo único que podemos afirmar es que existe la probabilidad de que se encuentre en alguna región. La mecánica cuántica describe a los electrones como ondas con cierta probabilidad de encontrarse por todos lados. Esta es la razón por la cual el último modelo atómico, propuesto en 1930 y que observamos en la Fig. 2 (al final) muestra una nube electrónica en lugar de los electrones girando como los 3 modelos anteriores. Pero, como mencionamos, la forma de estas regiones donde existe la probabilidad de encontrar electrones dependen de su energía. Por ello, se generan diferentes formas. En la Fig. 3 se muestran estas regiones, usando por simplicidad el átomo de hidrógeno pues tiene un solo electrón. El color  morado indica menor probabilidad de encontrar un electrón y el color amarillo, una mayor probabilidad de encontrarlo. Si el electrón de este átomo de hidrógeno tuviera diferentes energías se encontraría en diferentes regiones como las descritas en la Fig. 3. En el caso de átomos con más electrones (todos los demás elementos distintos del hidrógeno) las regiones cambian de forma. Los números entre paréntesis en la Fig. 3 representan los números cuánticos (nivel de energía (n), momento angular (l), momento magnético (m)). Estos son característicos de cada electrón y definen, mediante una expresión matemática, la region en la que se encontrarán. El último número cuántico, el espin, no lo tomaremos en cuenta en este artículo pero si mencionaremos que es el responsable de la espintrónica, la base de nuevas tecnologías en el almacenamiento de datos en las computadoras.

Fig. 4 Microscopio Óptico

Sería genial que pudiéramos ver a los átomos y sus nubes electrónicas con nuestros ojos, pero esto no es posible. Los objetos que podemos observar a simple vista o con un microscopio óptico como el de la Fig. 4 deben tener un tamaño del orden de la longitud de onda de la luz visible, tan pequeño como 0.000000001 metros (este número con tantos ceros, se escribe mejor así: 10-9 metros). Es decir, la luz visible (diferentes colores) debe poder ser reflejada por estos objetos. Los átomos son mucho más pequeños, por lo tanto la luz no puede “detectarlos”, digamos que son “invisibles” para la luz. Gracias a la tecnología actual existen instrumentos que nos permiten observarlos. Estos son llamados microscopios electrónicos (Fig. 5) pues no utilizan la luz visible sino, por el contrario, utilizan un haz (un rayo) de electrones. La longitud de onda asociada al haz de electrones es más pequeña que la luz visible, posibilitando de esta forma el detectar objetos mucho más pequeños.

Fig. 5 Microscopio electrónico

Últimamente, cuando leemos una revista científica, encontramos diferentes formas de representar a los átomos, dependiendo de las propiedades que se quieran resaltar. Los científicos que estudian las superficies de los materiales para las nuevas tecnologías suelen mostrar imágenes de los microscopios electrónicos, como la de la Fig.6(a), donde se puede observar montículos ordenados. Esta figura nos muestra un monocristal de oro (Au), proporcionando la idea del ordenamiento atómico en un cristal sin defectos, pero lamentablemente no nos proporciona el entorno, nubes electrónicas, mostradas de la Fig. 3. Por otro lado otros especialistas suelen representar las moléculas como en la Fig. 6(b), en donde el átomo de hierro (Fe) se muestra en color rojo, el carbono (C) en naranja, el nitrógeno (N) en azul y el platino (Pt) en amarillo. Una proteína suele ser representada como en la Fig. 6(c), en donde la nube electrónica, representada por las líneas azules, rodea a los átomos.

Fig. 6(a) Arreglo de átomos de Oro (Au). ERC/CNRS Photothèque / Marie-Paule PILENI, Nicolas GOUBET

Fig. 6(b) Molécula FeCNPt. LCC / CNRS Photothèque

Fig. 6(c) Proteína. IBMC / CNRS Photothèque / Claude SAUTER

Como hemos visto en este pequeño artículo, si bien es cierto, existen varias formas de representar a los átomos, todas éstas deben ser fundamentadas en el marco dado por la mecánica cuántico, con conceptos de probabilidades, de dualidad ondas-partícula.

Los fundamentos de la mecánica cuántica pueden ser explicados a los jóvenes en diferentes niveles, mostrando y señalando siempre ejemplos de como la tecnología utiliza mucho de estos conceptos para hacernos la vida mucho más fácil, con dispositivos como las pantallas táctiles de los celulares, el blue ray, la memoria de los USB, cámaras HD muy pequeñas, etc.

Pero ojo, tengamos cuidado pues siempre existe la probabilidad de caer en una orbita circular y explicar las cosas como en el  siguiente video:

N. Monteblanco

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