jueves, 15 de diciembre de 2011

1 TEORÍA ATÓMICA Y MODELO ATÓMICO

En el aspecto conceptual que rodea al átomo valdría la pena diferenciar entre la teoría atómica y el modelo del átomo. Como tal, la teoría atómica es un concepto mucho más general, es decir se trata de un paradigma sombrilla bajo el cual diversos programas de investigación fueron creados, antes y después de John Dalton y que en palabras simples establece que la materia está hecha de átomos (Clary, 2013) El desarrollo de la teoría atómica antes y después de Dalton es un proceso mucho más complejo en el cual dos corrientes disciplinares y filosóficas han chocado constantemente y aun lo hacen. Algunas de ellas son el platonismo y el aristotelismo, el realismo científico contra el instrumentalismo, incluso los modos de pensar desde la química y desde la física.

Hablando concretamente de la interpretación química o física el escritor del presente artículo no toma partido por ninguna de las dos posturas, ya que en sus campos específicos, cada visión ha demostrado ser útil y ha dado resultados, por consecuencia ambas cumplen el compromiso racionalista con el Materialismo Metodológico (Blanco, 2012), lo cual define mi postura como instrumentalista, ya que imperan los resultados por sobre la posibilidad de describir acertadamente una realidad física. En últimas, la verdad real del modelo es irrelevante “realismo científico”, lo que importa es su utilidad pragmática “instrumentalismo”.

En la siguiente serie de artículos realizaremos una breve descripción de las dificultades para poder crear un modelo atómico, en el sentido de que cualquier modelo atómico es contraintuitivo.

1.1 El problema de la sustancia, elementos y compuestos

La química es una ciencia experimental y como tal damos por presupuestos principios que provienen desde la experimentación a la hora de definir elemento, compuesto y sustancia. De lo que el estudiante, el químico o el filósofo pueden dar cuenta en el mundo sensible y tangible de lo macroscópico es de sustancias continuas, las cuales al combinarse parecen transmutar en otras sustancias nuevas. En este sentido la transmutación hace referencia al cambio de las propiedades de las sustancias iniciales a las finales. De aquí que la teoría atómica tenga como fin último –al menos en la química –dar una explicación metodológicamente útil al asunto de la reacción/transmutación de las sustancias al inicio del cambio químico en las sustancias al final. El asunto es que al menos en principio tal explicación es contraintuitiva, ¿como partículas no conectadas pueden generar fenómenos con apariencia continua?

Uno de los aspectos que permitiría la definición de los átomos fue la definición de elemento o sustancia simple. Boyle fue el primero en dar una definición de elemento que cortaba con las tradiciones de la alquimia y el flogisto, y posteriormente Lavoisier la retomaría (Paneth, 2003). Para ellos un elemento era:

Ser sustancias que no pueden dividirse en otras por métodos químicos.

Esto es, a pesar de que muchas sustancias cambian sus propiedades y presentación en el mundo macroscópico, algunas parecían estar compuestas por las mismas sustancias simples. Sin el presunto de una sustancia elemental, es imposible pensar posteriormente en los átomos. Ahora el problema estaría definido por las posibilidades experimentales para poder identificar correctamente las sustancias simples de las compuestas, ya que al nivel de lo macroscópico son indistinguibles.

Un ejemplo es el aire, por milenios se lo consideró como un elemento, pero para el siglo XVIII-XIX los adelantos tecnológicos permitieron dar cuenta de los componentes del aire, haciéndolo una sustancia compuesta y no un elemento. El propio Dalton tendría problemas con este asunto experimental.

1.2 Objeciones a la teoría atómica

Tal vez de todas las objeciones a la teoría atómica la más importante fuese que no era tan necesaria, de hecho muchos adelantos químicos fueron realizados de forma independiente a pretender crear un modelo de átomo.

De hecho muchos científicos prominentes del siglo XIX no creían en la existencia de los átomos, o que tan siquiera fueran una hipótesis científica seria, tildándolos de ser una ficción conveniente. Autores que sostenían esta postura son por ejemplo Faraday “A” (Burwell Jr, 1894) y Ostwald “B” (Swackhamer, 2005). De hecho la hipótesis del átomo solo vendría a aceptarse de forma extendida hasta 1904 (Colyvan, 1998).

De hecho el propio Mendeleev “C” dudaba de la existencia real del átomo, empleándolo como una simple convención metodológica. De hecho en alguna ocasión afirmó que la teoría Atómica era inútil para el establecimiento del sistema periódica, el cual se basaba en pesos de los elementos y de sus propiedades (Scerri, 2006).

1.3 Definición básica de la teoría atómica

Tomando en cuenta las objeciones de la época de Dalton y los cambios que ha sufrido el concepto de átomo cabe preguntarse ¿Cuál es el fundamento primordial de la teoría atómica? En este sentido vale la pena reducirlo a la noción con la cual inició el atomismo desde la Grecia antigua.

La materia regular está compuesta por partículas microscópicas llamadas átomos, las cuales se caracterizan por no poder dividirse, la palabra átomo en el contexto griego significa lo indivisible.

A pesar de que la mayor parte de los postulados del modelo atómico de Dalton fueron refutados con el avance de los métodos físicos, comenzando por el propio significado de la palabra “átomo = indivisible” lo que es relevante para todos los modelos del átomo, es que son el fundamento para explicar gran parte de las propiedades de los elementos.

La teoría atómica no sería aceptada de forma inmediata y tendría una evolución paralela a la del propio modelo atómico, de hecho aún para la época en que Thomson describió su modelo atómico de pastel con pasas, la existencia del átomo seguía siendo controversial (Van Melsen, 2004) y muchos científicos prominentes se murieron negando su existencia.

1.4 Modelos atómicos

Bien, los postulados de la teoría atómica de Dalton son un poco difíciles de digerir si no contamos con una manera de “visualizarlos”, con lo que caemos en un pequeño problema para este punto de nuestro pequeño relato. Dalton no tenía ni idea de cómo se veía un átomo, o de si tenía alguna estructura en especial, es más, es posible que como Demócrito aun pensara realmente que los átomos eran en verdad partículas individuales, únicas y eternas

Allí es donde entra la expresión MODELO atómico. Para poder explicar de una mejor manera los postulados de la teoría atómica debemos visualizarlos, pero al no tener una idea de cómo se ve un átomo debemos realizar una aproximación de COMO PODRIA verse el átomo en base a la mejor información con la que contemos en un momento de tiempo determinado.

Esa es precisamente la definición de un modelo atómico: una representación gráfica aproximada de cómo podría verse un átomo, de forma tal que pueda explicar sus propiedades físicas y/o químicas.

Un modelo atómico no es una foto de un átomo, tampoco pretende ser la “verdad” sobre como “verdaderamente” se ve la forma “real” de un átomo, es tan solo una aproximación que explica los fenómenos relacionados con los átomos. La certeza sobre un modelo atómico recae en su capacidad para poder explicar la realidad, predecir fenómenos y por lo tanto para generar tecnologías que nos permitan aprovechar de manera intencionada dichas propiedades. En otras palabras, el nivel de certeza de un modelo atómico es directamente proporcional a su utilidad es un contexto específico, es lo que Bohr llamaba instrumentalismo científico (Maleeh & Amani, 2013).

Para poner un ejemplo, los mapas también son modelos que representan a la realidad, son una aproximación a cómo debería verse un área geográfica desde determinado punto de vista. Pero si te pones en ese punto de vista, te das cuenta de que la realidad se ve un poco diferente a como se representa en el papel. ¿Significa entonces que los mapas son  falsos?, la respuesta es no, porque son ÚTILES para poder predecir los fenómenos, en este caso, poder predecir cómo se comporta el terreno a medida que avanzamos desde un punto (A) a un punto (B).

En otras palabras, los mapas son una representación de la realidad de un área geográfica, no la realidad misma del área geográfica. Lo mismo sucede con los modelos atómicos. Un modelo atómico es una representación de la realidad del átomo, no la realidad misma del átomo. El patrón para juzgar a un modelo científico, sea un mapa, un modelo o una teoría es su utilidad.

1.5 Modelos clásicos vs modelos cuánticos

Los modelos atómicos se pueden distinguir en dos categorías principales, los modelos atómicos clásicos y los modelos atómicos cuánticos. Los modelos atómicos clásicos se caracterizan porque debían cumplir las leyes de Newton, debido a que la física de Newton se denomina mecánica clásica, los modelos atómicos que cumplen las leyes newtonianas reciben el nombre de clásicos (Pais, 1991). A pesar del conflicto que pueda existir entre la noción de átomo físico y átomo químico un aspecto común a los modelos clásicos es que sus propiedades no son diferentes a las de los objetos macroscópicos. Esto es cierto desde las primeras nociones del átomo griego hasta el átomo de Rutherford, donde los átomos poseen propiedades mecánicas.

En esta primera etapa del desarrollo del átomo se generan varias cuestiones, (1) la existencia del átomo, (2) las propiedades de los átomos y finalmente (3) la estructura interna de los átomos que quedará casi definida cuando al modelo de Rutherford se le adiciona el concepto de Neutrón.

El último modelo atómico clásico fue el modelo de Rutherford, lo cual trajo consigo una serie de paradojas relacionadas con la luz, los colores y las orbitas electrónicas que contribuyeron al surgimiento de una nueva física, con nuevas reglas, una física que negaba el concepto más básico de Newton, la continuidad del movimiento a través del espacio, dando lugar a un concepto descabellado en nuestra realidad inmediata, el salto cuántico que puede traducirse solo con el concepto de teletransportación.

Todos los modelos que acogen el salto cuántico, es decir el movimiento de un electrón entre dos puntos sin recorrer el espacio intermedio se denominarán como cuánticos, y de ellos el modelo estándar moderno es el modelo atómico mecánico-cuántico-ondulatorio relacionado a autores como Erwin Schrödinger, aunque a él contribuyeron muchos autores más, y lo más paradójico es que todos lo detestaron, pero ninguno pudo refutarlo debido al criterio instrumentalista, la maldita teoría cuántica ondulatoria funciona aunque a nadie le guste y prácticamente nadie la endiente completamente.

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