El átomo

Una idea griega

Hacia el 400 a. C., en la ciudad de Abdera, Leucipo y su discípulo Demócrito razonaron que si se corta una piedra en pedazos cada vez más pequeños, en algún momento debe llegarse a una partícula que ya no puede dividirse. La llamaron átomos, "sin corte". Era pura especulación: Aristóteles la rechazó y su autoridad la dejó dormida durante casi dos milenios.

La idea revivió como ciencia en 1808, cuando el maestro inglés John Dalton publicó Un nuevo sistema de filosofía química. Dalton explicó que los elementos se combinan en proporciones fijas porque están formados por átomos de masas características, y que una reacción química no es más que una reorganización de esos átomos.

Abrir la caja

El átomo indivisible se quebró en 1897, cuando J. J. Thomson, en el laboratorio Cavendish de Cambridge, descubrió el electrón: una partícula unas 1.836 veces más liviana que el átomo de hidrógeno. Imaginó el átomo como un "budín de pasas", una masa positiva con electrones incrustados.

En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la dirección de Ernest Rutherford, dispararon partículas alfa contra una lámina de oro finísima. Casi todas pasaron de largo, pero unas pocas rebotaron hacia atrás. Rutherford diría que fue como disparar un proyectil contra un pañuelo de papel y que volviera para golpearte. Conclusión, publicada en 1911: casi toda la masa se concentra en un núcleo diminuto y positivo; el resto es espacio vacío.

• En 1913 Niels Bohr propuso que los electrones ocupan órbitas de energía fija, lo que explicaba los colores de la luz del hidrógeno.
• En 1919 Rutherford identificó el protón.
• En 1932 James Chadwick descubrió el neutrón, la pieza que faltaba en el núcleo.

Proporciones increíbles

Un átomo mide alrededor de una décima de nanómetro. El núcleo es unas 100.000 veces más pequeño que el átomo entero: si el átomo fuera un estadio de fútbol, el núcleo sería una canica en el centro del campo, y sin embargo contiene más del 99,9 % de la masa. Lo que sentimos como "sólido" es en realidad la repulsión eléctrica entre nubes de electrones.

La mecánica cuántica reemplazó las órbitas de Bohr por orbitales: regiones de probabilidad donde es posible encontrar al electrón, descritas por la ecuación de Schrödinger (1926). El número de protones define el elemento; el número de neutrones, el isótopo. El carbono-12 y el carbono-14 son químicamente iguales, pero el segundo es radiactivo y sirve para datar restos de hasta unos 50.000 años.

Dato curioso: en 1981 el microscopio de efecto túnel, inventado en IBM Zúrich, permitió ver átomos individuales; en 1989 investigadores de IBM escribieron el logotipo de la empresa con 35 átomos de xenón.

Más adentro todavía

Protones y neutrones tampoco son elementales: están hechos de quarks, propuestos por Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964 y detectados en Stanford a fines de esa década. El Modelo Estándar describe hoy 17 partículas fundamentales; la última en confirmarse fue el bosón de Higgs, anunciado por el CERN el 4 de julio de 2012. Partir el núcleo, además, liberó la energía que predice $E=m{c}^2$, base de la energía nuclear y de las bombas de 1945.