Átomos y Universo: el secreto en la tabla periódica



Ramón Peralta y Fabi
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¿De qué están hechas las cosas? Una pregunta simple que casi todos nos hicimos alguna vez, conscientes de la increíble diversidad de objetos que percibimos, variando en colores, textura, rigidez, fragilidad, disponibilidad, etcétera. La sorpresa es que solo existen 94 constituyentes de la materia en el universo, los elementos, con un número finito de cada uno, con los que se forma (casi) todo; los llamamos átomos, y el aparato intelectual que los describe y trata es la teoría atómica (física cuántica). Es la columna vertebral de la física, pero podríamos decir que lo es de todas las ciencias naturales; la química y la biología, y las áreas que se sustentan sobre ellas, se basan en este conocimiento (Peralta, 2005).

     El misterio moderno es que la masa formada por los átomos solo explica el 4.5 % de la que se estima que constituye al universo. Cinco veces eso es la materia oscura y el resto, casi todo, la energía oscura; qué son estas oscuras entidades es hoy desconocido, salvo que no son átomos, ni sus componentes: electrones, protones y neutrones. Estos dos últimos forman los núcleos atómicos y concentran más del 99 % de la masa. El término oscuro solo exhibe nuestra ignorancia.

     Uno de los notables físicos del siglo XX, Richard Feynman, comentó que, si alguna frase merecía resumir la ciencia, y que al desaparecer nuestra civilización pudiéramos heredarla como una clave para acelerar la comprensión del mundo, sería: “Las cosas están hechas de átomos”. Habiéndolos hallado en una lenta –pero apasionante– búsqueda, el siguiente paso fue organizarlos en función de sus masas, propiedades, y afinidades. Esta fue la tarea que Mendeleev (en ruso se pronuncia Mendieliev) se impuso y logró, siendo su propuesta la más práctica y aceptada. A la fecha hay más de 700 formas alternativas de organizar los elementos, en espiral, en tres dimensiones, en más columnas o renglones, y siempre tratando de poner en relieve alguna característica especial dentro de la clasificación, asociando de varias maneras a los elementos que comparten aspectos importantes, aunque sutiles.

 

DE LOS ÁTOMOS

 

La pregunta inicial sobre lo que vemos se la hicieron los pensadores griegos y seguramente los que los inspiraron, de quienes poco o nada sabemos, pues la escritura –casi– comenzaba con ellos, aunque Sócrates le asegura a Fedro, en el Diálogo correspondiente de Platón, que escribir es una mala idea (Plato, 2018); afortunadamente, en esto, lo ignoró. Los componentes del mundo aceptados en esa época –el aire, la tierra, el fuego, el agua y el éter (material “celeste” agregado por Aristóteles)– provocaron que intuiciones más ingeniosas esperaran a una era más propicia e independiente de la pura especulación.

     Muchas de las reflexiones de Demócrito, de Epicuro y de la escuela ateniense nos llegaron gracias al poema De Rerum Natura, de Tito Lucrecio Caro, quien lo escribió en la era clásica latina –el siglo I antes de la era actual– y se perdió por siglos, hasta que lo descubrió Poggio Bracciolini en una biblioteca medieval (Greenblatt, 2011); una de las traducciones al español de la obra de Lucrecio es una joya (Bonifaz-Nuño, 1984).

     La búsqueda de los constituyentes del mundo, como una empresa directamente conectada con la realidad, tiene contribuciones muy diversas. Una parte vino de las culturas babilónica, india y egipcia, heredada –a su vez– de quienes primero aislaron minerales y desarrollaron la metalurgia, la cocina y las bebidas fermentadas, entre otras; no sorprende que –probablemente– hayan sido elementos como el cobre, el zinc y el estaño los primeros en purificarse y usarse.

     En nuestra era, los alquimistas musulmanes y europeos, en una mezcla de misticismo, prácticas empíricas y religión, envuelta en secrecía y simbolismos, fueron desarrollando algunas intuiciones y procedimientos que, para el siglo XVII, pudieron amalgamarse en una actividad más racional, más cerca de una ciencia incipiente que las fundamentara y permitiera su florecimiento posterior.

     La interesante historia que nos trae al concepto moderno del átomo y su caracterización, aquí esbozada de manera incompleta, culmina en el siglo XIX. Dos siglos antes, Robert Boyle (1627-1691) replantea el concepto de átomo y para 1789 Antoine Lavoisier (1743-1794) ya exhibe 33 elementos, con el calórico (inexistente) y la luz incluidos; para 1818 Jakob Berzelius (1779-1848), en Suecia, ya trata a 45 elementos químicos. El papel de John Dalton (1766-1844), Amedeo Avogadro (1776-1856) y Albert Einstein (1879-1955), a través de diversos y sólidos argumentos, fue determinante para convencer a los químicos y físicos de la existencia de estos ingredientes comunes y universales de la sopa cósmica.

     Así, se llegó a la hoy irrefutable evidencia de los 94 elementos que hallamos en la Tierra, del hidrógeno al plutonio (del 1 al 94), iguales en todo el universo conocido, y que los demás, del americio al oganesón (del 95 al 118) son creaciones humanas, sintetizados en los reactores nucleares o en los aceleradores de partículas. Cabe aquí hacer notar que, acompañando a los protones en el núcleo atómico, se hallan los neutrones, y para un elemento dado es posible hallar distinto número de estos en el núcleo, y se les llama los isótopos del átomo en cuestión. Por ejemplo, 235U se refiere al isótopo del uranio, con 143 neutrones además de los 92 protones, y el 14C, el carbono-catorce, es el usado para datar muestras antiguas que no excedan los 60,000 años, aproximadamente. En general, el papel de los isótopos en las propiedades químicas es muy pequeño y no se refleja en la tabla periódica.

     El proceso de investigación que nos llevó a la presente visión del átomo enfrentó –por una parte– sus pequeñísimas dimensiones, inaccesibles a nuestros sentidos y a nuestros mejores microscopios ópticos. A cambio, cada elemento, al aumentársele la temperatura, produce una luz característica, su espectro, cuyo análisis se inició en el siglo XIX, descubriéndose que cada uno tiene su propia huella digital en su marca luminosa. Así, la luz del Sol o de un planeta fuera del Sistema Solar, muestra características específicas cuando se descompone con un prisma, y al compararla con las particularidades que conocemos de los elementos, permite identificar la naturaleza de la fuente. Por ejemplo, el helio para globos de fiesta se descubrió primero en el Sol, y descubrimos que Titán, que circunnavega a Saturno, está lleno de metano, y que en la nebulosa de Orión hay carbón, nitrógeno, oxígeno y otros elementos, además de hidrógeno y helio, cuya presencia y abundancia descubrieron astrónomos mexicanos (Peimbert y Torres-Peimbert, 1977)1.

     La comprensión actual de la materia permite afirmar que casi todo el hidrógeno y el helio, así como una pequeña fracción del litio, se formaron en los primeros minutos después del inicio del universo, en la Gran Explosión, hace más de 13,700 millones de años. Del carbón al hierro se forman regularmente en la nucleosíntesis estelar, es decir, en las reacciones nucleares en el interior de las estrellas, y los más pesados se crean en las explosiones cataclísmicas, como las supernovas. Finalmente, el litio, el berilio y el boro, más ligeros, son el resultado de colisiones de rayos cósmicos con átomos comunes como el carbón, el nitrógeno y el oxígeno.

 

LA TABLA PERIÓDICA

 

La tabla periódica (TP) resume una parte importante de lo que sabemos de la materia, y la generalidad de este conocimiento. Los átomos de carbón en Toluca, en Plutón y en la galaxia más lejana que conocemos (MACS0647-JD, que se estima a 1 con 23 ceros de metros del Sol), son exactamente iguales; los demás elementos también. Que todo esté formado de ellos es una exhilarante simplificación de la naturaleza, abriéndonos la posibilidad de entender no solo nuestro nicho cósmico, sino el vasto foro del universo. Así, sabemos que todas las galaxias, al igual que la nuestra, están formadas de estrellas constituidas (casi) como la nuestra, las fulgurantes supernovas y las inmensas regiones donde se forman las estrellas, las nebulosas, y que hay sistemas planetarios en los que existen objetos con metano, con agua y moléculas más complicadas que aquí sabemos asociadas a la vida; si la hay, no la hemos hallado.

      ¿Qué elemento es el más importante? Debe ser difícil abogar por uno, aunque hay una campaña por designarlo, y el oro (Au), el silicio (Si) y el uranio (U) parecen ir a la cabeza, amén de que –por abundancia– el hidrógeno supera a todos los demás.

     Dmitri Ivánovich Mendeleev (1834-1907), o en castellano Mendeléyev, fue quien en 1869 publicó lo que hoy conocemos como la TP. A 150 años de distancia, la comunidad internacional (UNESCO) llamó a 2019 el “Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos”, compendio de nuestro conocimiento de la materia.

     Dimitri, el más joven de 17 hermanos nacidos en Siberia, se dedicó a la química y a la enseñanza en San Petersburgo, siendo ya reconocido a los 27 años por su obra Química Orgánica, elaborada para el sustento de sus cursos. Todo sugiere a un hombre complejo, a juzgar por su apariencia y la intensidad con la que llevó su vida personal y pública.

     En la elaboración de su libro Principios de Química, el texto clásico de su época publicado en 1867, fue que concibió la forma de organizar a los elementos conocidos para darle coherencia a sus propiedades y formas de combinarse entre ellos. El hecho es que supo reconocer que, al ir subiendo en peso atómico, había semejanzas periódicas en algunas propiedades, facilitando formar grupos de manera natural. No se sabía la composición del átomo, pero sí que cada uno era eléctricamente neutro, y que solo diferían en masa, y por ello había proporciones precisas para llevar a cabo reacciones químicas, sobre todo si se buscaba que A con B dieran C y D, sin residuos de A y B.

     Así, Mendeléyev fue asociando a los elementos en columnas y renglones, dándole a la TP la imagen de torres formadas por cuadritos asociados a cada uno. En el arreglo que diseñó, de izquierda a derecha y de arriba para abajo, como al leer un texto, se incrementa el número atómico (el número de cargas positivas en el núcleo, los protones).

     Varias cosas destacan en el descubrimiento de Mendeléyev. Cada columna corresponde a un grupo, de los que hay 18. Los elementos en cada grupo comparten propiedades químicas y tendencias similares, de aquí viene el uso de la palabra periódica de la tabla. Elementos en columnas contiguas también comparten algunas características. Así, en la columna 18 se hallan los gases nobles, que pueden ser líquidos o sólidos, dependiendo de la presión y temperatura a la que se encuentren, pero que exhiben una muy pobre reactividad; en la columna 11 se hallan el cobre, el oro y la plata, con harto en común, y en la primera el hidrógeno, el sodio y el potasio, que son parte indispensable de la vida.

     Una característica importante en la intuición y conocimiento de Mendeléyev fue el darse cuenta de que había “huecos”, haciéndose pertinente la búsqueda de elementos con las semejanzas del grupo, prediciéndose así la existencia del galio (31 Ga) y el germanio (32 Ge), por ejemplo.

 

REFLEXIÓN

 

¿Qué seguirá siendo aceptado, de lo que hoy creemos saber, con el paso de los siglos? Difícil saberlo, pero muy probablemente sean los conceptos de átomo y de evolución. ¿Qué valdría la pena conservar de nuestras escasas certezas si quisiéramos legar algo a quienes sobrevivan? Lo anterior les daría una clave para volver a construir lo que hoy sabemos.

     Las teorías de la evolución y la atómica, como columnas vertebrales de nuestra cabal comprensión del mundo, en física, química y biología, con todo incluido, han sido el resultado de la ciencia, la estrategia más exitosa de la historia para entender nuestro entorno. No deja de ser sorprendente que, al observar el interior de nuestro planeta, su superficie y el inmenso espacio exterior, sabiendo lo anterior, tengamos una forma congruente de explicarlo. Si detectamos vida en otra parte del cosmos, será una noticia sobrecogedora y notable, pero no cambiará de manera esencial nuestra percepción de la naturaleza, aunque nos llevará a revisar con cuidado nuestras soberbias imaginaciones y arcanas reflexiones. 

     Hipotéticamente, como parte integral de la cultura, todos debiéramos tener las bases conceptuales sobre el universo que nos circunda, las ideas del átomo y de la evolución, desde los niveles de primaria y secundaria, si la educación, programas y profesores tuvieran la calidad necesaria. No se requiere saber química, biología o física para asimilar los aspectos medulares, y en cada nivel debiera irse revisando y elaborando esa visión hasta construir en los jóvenes una cultura que no se limite a las humanidades y a las artes, las otras partes vitales de un ciudadano moderno y útil para enfrentar un mundo complejo y diverso.

 

N O T A S

 

1  En los años setenta caracterizaron la composición y abundancia de diversos elementos en la nebulosa de Orión a través de varios artículos, particularmente el aquí citado.

 

R E F E R E N C I A S

 

Bonifaz Nuño R (1984). De la Natura de las cosas, Tito Lucrecio Caro, UNAM; 1985, El vacío y los átomos según Lucrecio, Rev. Mex. Fis. 31(3):447-463

Greenblatt S (2011). The Swerve, Norton & Co.

Peimbert M y Torres-Peimbert S (1977). Chemical composition of the Orion nebula, Mon. Not. R. Astr. Soc. 179:217-234.

Peralta y Fabi R (2005). Átomos, polen y probabilidades. Ciencias 80:16-23

Plato (2018). Trad. Benjamin Jowett. Plato: The Complete Works. Phedrus, Edición Kindle, MyBooks Classics.

 

Ramón Peralta y Fabi
Departamento de Física
Facultad de Ciencias, UNAM

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