1.5: Evidencia de átomos

Es importante señalar que desde el momento en que surgieron las primeras ideas de átomos, y durante miles de años a partir de entonces, no hubo ni una pizca de evidencia de la naturaleza particulada de la materia o la existencia física de los átomos. La idea de los átomos era puramente producto de la imaginación, y si bien hubo un vigoroso debate sobre la naturaleza de la materia, este debate no pudo resolverse científicamente hasta que no hubiera evidencia empírica objetiva de una forma u otra.

Entonces surge la pregunta, ¿cómo los científicos en el siglo XIX finalmente produjeron evidencia clara de la existencia de átomos? Ya hemos dicho que los átomos son demasiado pequeños para ser vistos por cualquier método directo. Entonces, ¿qué llevaría a los científicos a la inevitable conclusión de que la materia está compuesta por átomos discretos? A menudo ocurre que se debe dar un enorme salto intuitivo para explicar los resultados de las observaciones científicas. Por ejemplo, la historia sobre Isaac Newton (1643—1727) y la manzana que cae capta esta obviedad, a saber, la notable suposición de que el movimiento de la Tierra alrededor del Sol, la trayectoria de una bola de cañón y la caída de una manzana a la Tierra se deben a un factor subyacente común, la fuerza de la gravedad, que actúa a distancia y obedece a una relación cuadrada inversa,\(\frac{1}{r^{2}}\) donde\(r\) está la distancia entre dos objetos. Esto parece una especulación bastante extraña y bastante exagerada; ¿cómo funciona esta “acción a distancia” entre dos objetos? Sin embargo, seguido científicamente, parecía ser muy poderoso y notablemente preciso. El punto es que Newton pudo darle sentido a los datos, algo que de ninguna manera es trivial. Requiere una capacidad de pensamiento profundo, original y complejo. Dicho esto, no fue hasta que Albert Einstein (1874-1955) propuso su teoría general de la relatividad en 1915 que hubo una explicación coherente y mecanicista de las fuerzas gravitacionales.

La primera teoría científica de la estructura atómica fue propuesta por John Dalton (1766—1844), un cuáquero autodidacta ^[11] que vive en Manchester, Inglaterra. ^[12] En 1805 Dalton publicó su teoría atómica para explicar la ley observada de proporciones múltiples, o definidas, que afirmaba brevemente es “cuando los elementos se combinan, lo hacen en la proporción de números enteros pequeños”, volveremos a esta idea más adelante, con mucho mayor detalle. ^[13] Sorprendentemente, Dalton nunca explicó realmente qué le llevó a proponer su teoría atómica, aunque ciertamente la utilizó para explicar las reglas existentes sobre cómo se combinan los diferentes elementos. Entre estas reglas se encontraba la observación de que la materia total presente en un sistema no cambia durante una reacción química, aunque una reacción podría llevar a un cambio de un sólido a un gas o viceversa. La teoría atómica de Dalton (1805) tenía una serie de componentes importantes:

• Los elementos están compuestos por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos.
• Todos los átomos de un elemento son idénticos y tienen la misma masa y propiedades.
• Los átomos de un elemento dado son diferentes de los átomos de otros elementos.
• Los compuestos están formados por combinaciones de átomos de dos o más elementos.
• Las reacciones químicas se deben a los reordenamientos de los átomos, y los átomos (materia) no se crean ni destruyen durante una reacción.

A partir de estos principios pudo explicar muchas de las observaciones que se habían hecho, por él mismo y por otros, sobre cómo se comporta y reacciona la materia. Las teorías atómicas más modernas han realizado algunas modificaciones, por ejemplo para incluir la existencia de isótopos atómicos, es decir, átomos con diferentes números de neutrones, pero el mismo número de protones y electrones, y la conversión de la energía en materia y viceversa, pero las ideas centrales de Dalton siguen siendo válidas.

Preguntas

Preguntas para responder

• ¿De qué manera se diferencia la teoría atómica de Dalton de las ideas de los filósofos griegos?
• ¿Qué principios de la teoría de Dalton aún se mantienen hoy?
• Diseñar un experimento para investigar si hay un cambio en la masa cuando el agua cambia de fase. ¿Qué datos recopilarías? ¿Cómo lo analizarías?

Preguntas para reflexionar

• ¿Cómo concluyó Dalton que no había medios átomos?
• ¿Qué partes de la teoría de Dalton eran especulaciones infundadas y qué partes se basaban en la observación directa?