1.8: El universo de lo muy pequeño

La discusión anterior probablemente te ha impresionado que el universo es extraordinariamente grande y extraordinariamente vacío. En promedio, está 10 mil veces más vacío que nuestro Galaxy. Sin embargo, como hemos visto, incluso la Galaxia es en su mayoría espacio vacío. El aire que respiramos tiene aproximadamente\(10^{19}\) átomos en cada centímetro cúbico, y generalmente pensamos en el aire como un espacio vacío. En el gas interestelar de la Galaxia, hay alrededor de un átomo por cada centímetro cúbico. El espacio intergaláctico se llena tan escasamente que para encontrar un átomo, en promedio, debemos buscar a través de un metro cúbico de espacio. La mayor parte del universo está fantásticamente vacío; los lugares que son densos, como el cuerpo humano, son tremendamente raros.

Incluso nuestros sólidos más familiares son en su mayoría espacio. Si pudiéramos desarmar tal sólido, pieza por pieza, eventualmente llegaríamos a las diminutas moléculas de las que se forma. Las moléculas son las partículas más pequeñas en las que se puede dividir cualquier materia sin dejar de conservar sus propiedades químicas. Una molécula de agua (\(\ce{H2O}\)), por ejemplo, consiste en dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno unidos entre sí.

Las moléculas, a su vez, están construidas de átomos, que son las partículas más pequeñas de un elemento que aún puede identificarse como ese elemento. Por ejemplo, un átomo de oro es la pieza de oro más pequeña posible. Casi 100 tipos diferentes de átomos (elementos) existen en la naturaleza. La mayoría de ellos son raros, y sólo un puñado representan más del 99% de todo lo que entramos en contacto. Los elementos más abundantes en el cosmos hoy en día se enumeran en Tabla\(\PageIndex{1}\); piense en esta tabla como los “grandes éxitos” del universo cuando se trata de elementos.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Los elementos cósmicamente abundantes

Element	Símbolo	Número de átomos por millón de átomos de hidrógeno
Hidrógeno	H	1,000,000
Helio	Él	80,000
Carbono	C	450
Nitrógeno	N	92
Oxígeno	O	740
Neón	Ne	130
Magnesio	Mg	40
Silicio	Si	37
Azufre	S	19
Hierro	Fe	32
Esta lista de elementos está dispuesta en orden del número atómico, que es el número de protones en cada núcleo.

Todos los átomos consisten en un núcleo central con carga positiva rodeado de electrones cargados negativamente. El grueso de la materia en cada átomo se encuentra en el núcleo, que consiste en protones positivos y neutrones eléctricamente neutros todos unidos fuertemente en un espacio muy pequeño. Cada elemento se define por el número de protones en sus átomos. Así, cualquier átomo con 6 protones en su núcleo se llama carbono, cualquiera con 50 protones se llama estaño, y cualquiera con 70 protones se llama iterbio. (Para una lista de los elementos, véase el Apéndice K.)

La distancia desde un núcleo atómico a sus electrones suele ser de 100.000 veces el tamaño del núcleo mismo. Es por ello que decimos que incluso la materia sólida es sobre todo el espacio. El átomo típico es mucho más vacío que el sistema solar hacia Neptuno. (La distancia de la Tierra al Sol, por ejemplo, es solo 100 veces el tamaño del Sol.) Esta es una razón por la que los átomos no son como los sistemas solares en miniatura.

Notablemente, los físicos han descubierto que todo lo que sucede en el universo, desde el núcleo atómico más pequeño hasta los supercúmulos más grandes de galaxias, puede explicarse a través de la acción de solo cuatro fuerzas: la gravedad, el electromagnetismo (que combina las acciones de la electricidad y el magnetismo), y dos fuerzas que actúan a nivel nuclear. El hecho de que haya cuatro fuerzas (y no un millón, o solo una) ha desconcertado a físicos y astrónomos durante muchos años y ha llevado a la búsqueda de una imagen unificada de la naturaleza.

Simulación Phet: Construyendo un átomo

Para construir un átomo, partícula por partícula, echa un vistazo a esta animación guiada para construir un átomo.