martes, 29 de marzo de 2011

átomos


no hace mucho tuve un sueño sorprendentemente real. figuraba que estaba en la universidad, y le explicaba a alguien que nunca había sido capaz de entender de verdad la naturaleza de la electricidad, algo presente en varias asignaturas de la carrera. en mi caso no muchas, al no haber sido mi especialidad.

y efectivamente, siempre ha sido así. en general, lo que ocurre a escala atómica no sólo “no lo veo” en el sentido literal de la expresión, sino que me cuesta mucho imaginármelo del todo, se me escapa.

por ejemplo: nos explican que el átomo está constituido por un núcleo y unos electrones orbitando a su alrededor. el núcleo a su vez está formado por protones y neutrones. los protones tienen carga positiva; los neutrones tienen una carga neta neutra -a nivel elemental se dice que carecen de carga, pero no es exactamente así-. los electrones, por su parte, tienen carga negativa.

las cargas de signo opuesto (positiva-negativa) se atraen; las cargas del mismo signo (positiva-positiva o negativa-negativa) se repelen. se trata de una fuerza, atractiva o repulsiva según el caso, directamente proporcional al producto de los valores de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. como vemos, se trata de una fuerza muy similar a la gravitatoria.


con esta fórmula que determina el valor de la fuerza entre las cargas lo tenemos todo hecho para resolver los problemas. pero podríamos preguntarnos cuál es la naturaleza de esa fuerza. y para empezar, qué es la carga eléctrica. porque se nos habla del efecto que produce -una fuerza de atracción o de repulsión- pero no se nos explica lo que es en esencia.

mi ceguera para los fenómenos a escala atómica tiene su lado bueno, y es que tratar de aproximarme cada vez más a su comprensión, para mí es un reto. de vez en cuando busco alguno de los libros antiguos de física que tenemos en casa -los libros antiguos son los mejores- y leo los capítulos que tratan sobre los átomos y la electricidad, con la esperanza de haber alcanzado la madurez intelectual necesaria para entender esas cosas que antes no entendía.

últimamente he logrado aproximarme un poco más, he sacado algunas cosas en claro. vayamos por partes...

el núcleo del átomo, como decíamos antes, está constituido por protones y neutrones. los neutrones están formados por diferentes subpartículas, unas con carga positiva y otras con carga negativa, que se atraen unas a otras. estas cargas se anulan entre sí, siendo la carga neta neutra.

los protones, al tener todos ellos carga positiva, se repelerían entre sí y saldrían disparados en todas las direcciones, si no fuera por la presencia de los neutrones, que los mantienen cohesionados. esta acción se lleva a cabo gracias a la atracción que ejercen sobre los protones las cargas negativas contenidas en los neutrones.

por otro lado, los electrones -de carga negativa- giran alrededor del núcleo -de carga neta positiva- debido a la fuerza atractiva ejercida por éste. se puede demostrar que la trayectoria que sigue una partícula sometida a una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al punto desde donde se genera la fuerza, es una elipse en la que uno de los focos es el punto origen de la fuerza. esto ocurre cuando dicha partícula está dotada de una velocidad inicial cuya dirección no coincide con la de la fuerza.

así sucede con las fuerzas gravitatorias, y por eso las trayectorias de los planetas son elipses en las que uno de los focos es el sol. sin embargo, en el caso de los electrones orbitando alrededor del núcleo del átomo, las cosas no funcionan así. cuando se trata de partículas elementales, entramos en el terreno de la mecánica cuántica, donde ya no sirven las reglas de la mecánica clásica.

el diámetro de un electrón es aproximadamente la diezmilésima parte del diámetro del átomo. si el átomo fuera una de las bolas del atomium de bruselas y tuviera, por tanto, 18 metros de diámetro, el electrón sería una perla chiquitita de tan sólo 1.8 milímetros. eso indica que la materia en realidad es muy ‘hueca’, y su aspecto aparentemente compacto se debe al constante movimiento al que están sometidas las partículas que la forman.

los electrones giran alrededor del núcleo con una velocidad de rotación de de unos 6,000 billones de vueltas por segundo. el concepto de ‘vuelta’ en este caso es peculiar. como decíamos, no se trata de órbitas circulares ni elípticas. la trayectoria del electrón tan sólo se puede estimar estadísticamente entre una nube de trayectorias. éste es uno de los principios de la mecánica cuántica.

lo cierto es que los electrones giran a velocidades equiparables en orden de magnitud a la velocidad de la luz (300,000 km/s), por lo que en este sentido también falla la mecánica clásica. se hace necesario emplear las ecuaciones relativistas introducidas por albert einstein, que partían de la premisa de que la velocidad de la luz era constante desde cualquier sistema de referencia, y trataban el espacio y el tiempo como un todo.

en los átomos hay un gran cantidad de energía acumulada: por un lado, la energía necesaria para mantener a los protones (que, como hemos dicho, tienden a repelerse) próximos unos a otros. por otro lado, la energía cinética de los electrones girando a enormes velocidades alrededor del núcleo.

en cualquier cuerpo, por pequeño que sea, hay miles de millones de átomos. así, no es una sorpresa que todo cuerpo contenga una energía (E) -una especie de energía interna- de magnitud igual al producto de su masa (m) por la velocidad de la luz (c) elevada al cuadrado. esta igualdad, conocida como ‘equivalencia masa-energía’ constituye la ecuación más célebre de la teoría de la relatividad de einstein.


como consecuencia, destruyendo átomos de una pequeñísima cantidad de materia, se puede liberar una cantidad de energía de un enorme poder destructor. el conocimiento de este hecho, lamentablemente dio lugar a la invención de la bomba atómica, de cuyos devastadores efectos todos hemos oído hablar...




en fin, volviendo a lo que comentaba al principio, quizá no lleguemos a saber realmente lo que son las cargas eléctricas -al menos yo-, pero sí nos podemos aproximar a saber cómo se comportan y las consecuencias que este comportamiento tiene. si esta pequeña redacción que he escrito sobre el tema os ha servido para saber un poquito más y os ha entretenido, me daré por más que satisfecho. :)

10 comentarios:

  1. Algo he pillado, por lo menos tengos claro que las cargas del mismo signo se repelen, oye los átomos lo tienen muy claro podría funcionar así con las personas, se evitarian algunos errores.
    Ya he podído leer el tutorial completo, te has explicado muy bien a base de "pantallazos", es un proceso que requiere tiempo y paciencia.
    Buenos días y besos.

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  2. No sé qué haces que no estás currando en la Nasa,con esi cerebrón que tienes!! Por fin leo claramente lo que ye E=mc2! Porque todos conocemos la fórmula como tal,pero saber porqué ye otru cantar,jeje.
    :-)

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  3. wendy, tienes razón, las cargas eléctricas tienen clarísimo como comportarse, jejeje. las personas son mucho más variables y erráticas. ;)
    me alegro de que te el tutorial te haya parecido claro, espero que te sirva de ayuda en algún momento. :)

    perín, en realidad la demostración de E=m·c^2 es mucho más complicada, pero se intuye que tiene que ser verdad porque se corresponde con la energía que hay contenida en todos los átomos... entender del todo la teoría de la relatividad es otro gran reto, créeme, jejeje.

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  4. Por mí puedes estar contento :-), me ha entretenido y de paso he repasado. Muy interesante. :-)

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  5. Ya empiezo a presumir de tener un amigo tan listo y a avergonzarme de ser una cabeza de chorlito.

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  6. Nada que no puedas solventar en una tarde! Hazme casu: Manda el cv a la Nasa! :-))

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  7. rousi, me alegro. ;) es que esto de los átomos resulta muy curioso cuando te lo explican de forma amena. leí en un sitio hace tiempo que según la fórmula E=m·c^2, un lápiz por ejemplo contenía tanta energía como para volar varios edificios. :o pero claro, para eso hay que destruir los átomos, y eso no se hace así como así, con lo cual no hay que preocuparse, jeje.

    inma, ya será menos, jejeje. en realidad esto no lo domino mucho, lo que pasa es que me es familiar porque me lo han explicado muchas veces, y lo tengo fresco porque lo estuve repasando hace poco. por una enciclopedia de mi abuelo, de donde por cierto están sacados los dos escaneados del post. :D

    perín, habrá que animarse y mandar el curriculum, oye, no se pierde nada. lo mismo cuela y me llaman para una entrevista en sus oficinas. :D

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  8. Hay que ver cómo te curras cada entrada, Chema! A mí de esta lo que más me ha gustado es lo de: "fuerza de atracción o repulsión". Eso no sólo se da en los átomos!!!
    Desde luego esta´te seguro de que has alcanzado la madurez intelectual necesaria, porque lo explicas todo la mar de bien.
    Y otra cosa: también me gusta eso de que todos los cuerpos tienen una energía como su masa por la velocidad de la luz al cuadrado. Ahora comprendo de donde nos sale la energía un lunes por la mañana!!! ;)
    Besos

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  9. rosana, me alegro de que te haya gustado la explicación! ;) esa fórrmula se llama 'equivalencia masa-energía', y es que en el fondo lo trata como dos aspectos de la misma cosa. en la fórmula, la velocidad de la luz es constante, su cuadrado sigue siendo constante... lo único que varía es la masa. más pesamos, más energía tenemos. no hay que obsesionarse tanto con adelgazar! :D
    las fuerzas de atracción pueden hacer que dos cuerpos se aproximen entre sí hasta chocar, o que uno gie alrededor de otro, como ocurre con los planetas alrededor del sol, o los átomos alrededor del núcleo (que siguen otras reglas que no son las de la mecánica clásica, pero giran al fin y al cabo). quizá también algo así ocurre en la vida real...?

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  10. piffchch, piffchch ... (son mis neuronas friéndose)

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