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. :)