HISTORIA DE LA MATERIA

La búsqueda del conocimiento de la naturaleza de la materia, en definitiva, de la pasta (o como dirían los americanos, stuff) de que están hechas las distintas cosas que nos rodean, ha sido una constante a lo largo de la historia de la humanidad. Filósofos y científicos, a lo largo de la historia, han planteado hipótesis y propuesto distintas teorías para explicar la naturaleza de la materia. En este blog vamos a dar un repaso muy somero a las distintas teorías propuestas para explicar la naturaleza de la materia, desde la Grecia clásica hasta finales del siglo XIX.

Remontándonos a la Grecia clásica, Leucocito de Mileto y, fundamentalmente su discípulo, Demócrito de Abdera, que vivieron a caballo entre los siglos V y IV antes de nuestra era, son considerados los fundadores del Atomismo, corriente filosófica que considera que todo lo que existe está formado por combinaciones de pequeñas partículas indivisibles denominadas átomos. Por otra parte,Empédocles, también en el siglo V a.de.C., elabora la teoría de las cuatro raíces que establece que cualquier sustancia está compuesta por una mezcla de agua, aire, tierra y fuego. El gran filósofo griego, Aristóteles, rechazaba el atomismo porque consideraba que el vacío no existe y que, por lo tanto, la materia debe ser continua y llamó elementos a las cuatro raíces de Empédocles.

La gran influencia de Aristóteles en la filosofía, la ciencia y, porque no, en la iglesia  hace que,durante casi 2.000 años, el concepto de átomo quede aparcado y archivado. De esta forma aterrizamos en el siglo XVII en el que dos científicos,Robert Boyle e Isaac Newton, de forma independiente, retoman la teoría atómica (del segundo hablaremos más en la historia de la luz).

Boyle realiza experimentos sobre el comportamiento de los gases y descubre que, en condiciones de igual temperatura, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión a la que está sometido. Esto se conocería como Ley de Boyle o Ley de Boyle-Mariotte.

Para explicar este comportamiento, Boyle propone que los gases se comportan como si estuvieran compuestos de pequeñas partículas que colisionan entre si y que reciben el nombre de átomos. A través de este modelo explica el calor como el resultado del movimiento de los átomos. Sin embargo. la teoría atómica no se tiene en cuenta por dos razones: por una parte, no es capaz de explicar otros fenómenos relacionados con la materia y, por otra parte, no se

definen ni se realizan experimentos para probar la teoría.

Los finales del siglo XVIII y comienzos del XIX ven como se formulan el resto de las leyes de los gases por J.A.C. Charles y Louis Joseph Gay-Lussac. sobre el comportamiento de los gases elabora, en 1803, su teoría atómica de la materia que se basa en cinco principios:

1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas

denominadas átomos.

2. Los átomos de un determinado elemento son idénticos en tamaño, masa y otras propiedades. Los átomos de distintos elementos difieren en tamaño, masa y otras propiedades.

3. Los átomos no pueden subdividirse, crearse o destruirse.

4. Los átomos de distintos elementos se combinan en relaciones simples para formar compuestos químicos.

5. En las reacciones químicas, los átomos se combinan, separan o reordenan.

John Dalton La teoría atómica de Dalton sigue siendo un pilar de la química si bien algunos de sus principios (especialmente el segundo y el tercero) fueron superados a medida que avanzó el conocimiento. Dalton, realiza, asimismo, una primera clasificación de los elementos sobre la base de sus pesos atómicos.

En 1811, un científico italiano, Amedeo Avogadro, basándose en los trabajos previos de Gay-Lussac y Dalton, formula la ley que lleva su nombre y que establece que:

Volúmenes iguales de gases diferentes sometidos a las mismas condiciones de presión y temperatura tienen el mismo número de partículas.

En honor a su descubrimiento, el número de partículas (átomos o moléculas) contenidos en un mol recibe el nombre de Número de Avogadro.

Amedeo Avogadro A lo largo del siglo XIX, la química avanza en la identificación y la clasificación de los distintos tipos de átomos, proceso en el que hay que resaltar los aportes de científicos como Dimitri Mendeléyev.

En 1836, Michael Faraday realiza experimentos relacionados con el paso de corrientes eléctricas a través de gases rarificados (gases a muy baja presión) y observa un arco que sale del cátodo y llega al ánodo. Faraday concluye  que este arco es debido a la acelaración por el campo eléctrico, de iones presentes, de forma natural, en el gas rarificado. En 1969, mientras experimentaba sobre la conductividad eléctrica en gases rarificados, el físico alemán  Johann Wilhelm Hittorf, descubre que la radiación emitida por el cátodo viaja siguiendo una línea recta hasta el ánodo. Posteriormente, Eugen Goldstein le dará a esta radiación el nombre de rayos catódicos.

A finales del siglo XIX, el científico británico J.J. Thompson, realiza una serie de experimentos con los rayos catódicos y, postula que los rayos catódicos están formados por unas partículas cargadas 1000 veces más pequeñas que un átomo. Thompson afirma que estas partículas, a las que denominó corpúsculos, forman parte del átomo. Los corpúsculos de Thompson, son rebautizados con el nombre de electrones por George Johnstone Stoney. Thompson, además del descubrimiento de los electrones, realiza otras dos aportaciones: el descubrimiento de los isotopos y el espectrógrafo de masas. Con el descubrimiento de los electrones y de los isotopos, Thompson va a desmontar dos de los principios del modelo atómico de Dalton.

J.J. Thompson El descubrimiento de los electrones lleva a Thompson a postular un modelo atómico de la materia. Thompson sabía que los electrones tenían carga negativa y supuso que, dado que la materia es neutra, existe otra parte del átomo que tiene carga positiva. A partir de estas premisas, propone un modelo de estructura atómica que se denominó de “pastel de cerezas” en el que postula que los electrones son como las cerezas que están incrustadas en una “masa” de carga positiva. La carga del electrón se determinaría, de forma precisa, por Robert Millikan en 1909, volveremos a oir hablar de este científico cuando veamos el efecto fotoeléctrico. Cerrando el siglo XIX nos encontramos con la última figura clave en el modelo de la naturaleza clásica de la materia: el físico británico de origen neozelandés Ernest Rutherford. En sus experimentos con radiación, Rutherford, estudió la radioactividad y clasificó la radiación resultante de los procesos radioactivos en alfa, beta y gamma dependiendo de la capacidad de penetración y de causar ionización. Los trabajos sobre la radioactividad le harían merecedor del premio Nobel de Química en 1908.

Ernest Rutherford

En 1911, Rutherford junto con varios colaboradores, diseña un experimento que consiste en bombardear con partículas alfa una lámina muy fina de oro (de unos pocos cientos de átomos de espesor) y registrar las trayectorias de las partículas alfa. De acuerdo al conocimiento existente (modelo atómico de Thompson) el resultado esperado era que, en su interacción con los átomos de oro, las partículas alfa sufrirían una leve modificación de sus trayectorias. Sin

embargo, los resultados del experimento mostraron que, si bien la mayor parte de las partículas alfa no variaban su trayectoria al atravesar la lámina de oro, había partículas que se desviaban en ángulos bastante considerables e incluso algunas rebotaban completamente.

Los resultados experimentales hicieron que Rutherford postulase un nuevo modelo atómico consistente en un núcleo de reducidas dimensiones (con un radio de 10 -14  a 10 -15  metros) que concentra la carga positiva del átomo y la mayor parte de la masa alrededor de este núcleo, a una distancia de unos 10 -10 metros, orbitarían los electrones. Los electrones tendrían que circular

a una velocidad que permitiese compensar la atracción ejercida por la carga del núcleo. El modelo atómico de Rutherford supuso un paso adelante pero, sin embargo, era un modelo inestable. Los electrones al girar, de acuerdo a las leyes del electromagnetismo, deberían emitir

radiación electromagnética, perder energía y acabar colapsando sobre el núcleo.Con esto llegamos al final de la teoría atómica clásica.

Todas las cosas como un elefante, un alfiler, tu lápiz, un libro cualquiera, tu

camisa, los zapatos de tu profesora, la piel, entre otras cosas; están formadas por materia. Es decir, todo aquello que podemos tocar o percibir.  

La materia puede presentarse de distintas maneras o estados.  Además

dependiendo de las condiciones, los cuerpos pueden cambiar de estado o manera en que se nos presentan.