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Los electrones no son satélites: diálogos atómicos

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Por Guillermo Goldes
@GUILLEGOLDES

Hace algunos días, en mi columna de divulgación científica en el programa Mirá Quién Habla de Radio Universidad, charlábamos sobre la estructura de la materia. Los átomos, las moléculas, y las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas opuestas e iguales fueron apareciendo durante el relato. Tuve oportunidad de mencionar el modelo atómico de Thomson, de principios del siglo XX. Según ese modelo, las cargas positivas en un átomo serían como la masa en un pan dulce, que ocupa casi todo el volumen de este postre navideño. Mientras que las cargas negativas, los electrones, serían pequeñas y estarían distribuidas como las pasas de uva en el seno de la masa "positiva" de nuestro pan dulce atómico. Joseph Thomson no era un improvisado al proponer este modelo: había sido él quien había logrado encontrar, en 1897, al propio electrón.

Ese modelo fue refutado con el célebre experimento de Lord Ernest Rutherford, un importante físico neozelandés de la época. En ese experimento, bombardeaba una delgada lámina de oro con cargas positivas y medía las direcciones en las cuales esas cargas eran desviadas por los átomos de la lámina de oro. Rutherford concluyó que el modelo del pan dulce era erróneo y que la carga positiva en el átomo estaba concentrada en un núcleo diez mil veces más pequeño que la cáscara externa del átomo, formada por cargas negativas. El modelo de Rutherford fue más adelante perfeccionado por el danés Niels Bohr.

Al salir del estudio me esperaba Pablo Facundo García, químico amigo, que no escatimó críticas a mi columna. A continuación detallo el diálogo que siguió, hasta donde puedo recordarlo.

-Hola Pablo, ¿que contás?
- Todo bien. Aunque un poco sorprendido. Estuve oyendo tu columna. Alguien que no esté demasiado en el tema podría haber pensado que los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo del átomo como si fueran satélites alrededor de un planeta...

-Bueno, hasta donde sé, el modelo de Bohr para el átomo tiene algo de eso, aunque establece que esas especies de órbitas están cuantificadas, es decir no pueden tener cualquier diámetro ni cualquier energía. Y por supuesto no es la fuerza de gravedad la que mantiene al electrón girando sino que es la atracción electrostática del núcleo...
- Claro. Pero la propia idea de que el electrón gira en una curva cerrada alrededor del núcleo está ya superada hace largo tiempo.
Los electrones no están dispuestos en órbitas, sino que se encuentran en regiones que se conocen como orbitales. En estos orbitales, los electrones se mueven libremente, pero no en curvas cerradas, sino que lo hacen sin respetar ninguna trayectoria predeterminada. Sabemos que los electrones se encuentran confinados en esos orbitales. Sabemos que los electrones están por ahí, pero lo cierto es que nunca podremos conocer en qué punto exacto de esa región están. Y esos orbitales tienen formas variadas, pero conocidas. Hay orbitales en forma de ocho (o de infinito), orbitales en forma esférica, algunos con forma muy graciosa, te diré.

-Entiendo el punto. ¿Sería más correcto hablar de capas de electrones?
- Sí, se puede hablar de capas. O en definitiva de una nube de electrones, dentro de la cual siempre hay electrones girando en diferentes direcciones y sentidos, en forma aparentemente desordenada. Esa nube rodea al núcleo a una distancia comparativamente grande y deja enormes espacios vacíos. Cuando calentás mucho un gas, digamos a varios miles de grados, los electrones se liberan del núcleo. Se dice que los átomos se ionizan, y entonces obtenés un plasma de electrones. Esos electrones liberados ya no se mueven en zonas u orbitales confinados sino que se desplazan libremente.

- OK. Mientras los electrones están ligados a los núcleos, se mueven en regiones acotadas pero no en órbitas cerradas y tampoco con trayectorias que pudiéramos dibujar como si fuesen circunferencias o elipses. Y dejan muchos espacios vacíos entre ellos mismos, y entre ellos y el núcleo. ¿Sí? Por eso decía recién que la materia sólida está en realidad hecha de huecos…
- Eso está bien. Pero creo que no hay que insistir con la idea de electrones en órbita, porque es un concepto erróneo y no deja de ser una idea muy arraigada, incluso en muchos docentes de química. El mundo microscópico es muy diferente al mundo macro y las fuerzas que actúan son otras.

-Aunque ambos mundos, el micro y el macro, tienen en común que en ambos lo que predomina, en definitiva, es el espacio vacío.
- Creo que sí, se podría decir eso. No deja de ser una idea inquietante…

Luego de esta conversación cada uno siguió con sus actividades. Para mis adentros, iba repitiéndome: “los electrones no son satélites – los electrones no son satélites – los electrones no son satélites”. De haber tenido un pizarrón a mano lo hubiera escrito innumerables veces. Afortunadamente, no encontré ninguno. 

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