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¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?[Desmintiendo]

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gigante

¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?

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Mucha gente se hace esta pregunta, cuya versión extendida sería algo así como: ¿Y si el sistema solar es en realidad un átomo gigante y el universo es algún trozo de materia de un universo aún más grande?

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A parte de  la escena final de la primera película de Men In Black, supongo que este planteamiento tiene su origen en la vieja imagen que tenemos todos de un átomo, potenciada por libros de instituto, documentales e incluso este mismo blog muchas veces: un átomo aparece siempre representado como un núcleo formado por unas bolas grandes y está rodeado por otras bolas que dan vueltas a su alrededor a cierta distancia.





¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?[Desmintiendo]

Pero resulta que esta imagen no es correcta. Por la cuenta que nos trae, podemos usar gatos en vez de bolas para representar las partículas subatómicas, porque es simplemente eso, una representación de un fenómeno que no somos capaces de observar.

2015

¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?[Desmintiendo]


Nadie representa los átomos de esta manera para tomarte el pelo. Lo que pasa es que si dibujas un átomo a escala real no vas a poder ver nada.

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El tamaño del núcleo de un átomo (donde están los protones y los neutrones) es minúsculo respecto a su diámetro total. Varía según cada elemento pero, en los dos extremos, el núcleo atómico más pequeño, el del hidrógeno, ocupa una 145.000-ésima parte del diámetro total del átomo. El núcleo del uranio, por otro lado, ocupa una 23.000-ésima parte.

O sea que, a escala, esta es la pinta que tendría un átomo de uranio:

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¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?

Para poner estos números en perspectiva, si el núcleo de un átomo de uranio fuera una pelota de playa de un metro de diámetro, lo electrones que dan vueltas a su alrededor se encontrarían a 11,5 kilómetros de distancia.

Ah, ¡pero eso no es más que una prueba a favor del argumento! ¡La Tierra se encuentra a 150 millones de kilómetros del sol, que a su vez mide algo más de un millón de kilómetros de diámetro! ¡La proporción es la misma! ¡El sistema solar es un átomo gigantesco!



No, la verdad es que no.

La Tierra puede encontrarse a una distancia de un orden de magnitud similar a la de un átomo de hidrógeno respecto a su núcleo, pero eso no significa nada. Si convirtiéramos los planetas que están más alejados del sol en electrones y los distanciáramos a una distancia proporcional alrededor de un núcleo atómico, no podrían dar vueltas alrededor del núcleo porque estarían demasiado lejos. Júpiter, por ejemplo, se encuentra 5 veces más lejos del sol que la Tierra y Neptuno se encuentra 30 veces más lejos.

Bueno, pero ya me entiendes. Los protones, neutrones y electrones son bolas, igual que los planetas que dan vueltas alrededor del sol.



Tampoco

En primer lugar, al contrario que los planetas todos los electrones tienen la misma masa. En nuestro propio sistema solar todos los planetas tienen masas distintas y algunos muy dispares: Júpiter es casi 320 veces más masivo que la Tierra, por poner un ejemplo.

Pero hay una razón aún más importante por la que no podemos comparar un átomo con el sistema solar: la representación de un átomo a la que estamos acostumbrados es sólo un modelo que no concuerda perfectamente con la realidad.

¿Qué? ¿Cómo es realmente un átomo, entonces?



No podemos ver un átomo, en el sentido de que no podemos tomar una foto de él para ver las partes que lo componen, así que no podemos saberlo directamente por pura observación. Hasta el momento, la imagen más detallada de un átomo que tenemos es esta fotografía de una superficie de oro:

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atomo


O sea, que durante la historia hemos tenido que hacernos una idea de la estructura de los átomos constitución según la información que conocíamos sobre ellos.

Sabemos que los átomos es que contienen cargas positivas, negativas y neutras. Para representarlas, inventamos los protones, electrones y neutrones. , antes de que se descubriera radiación neutra proveniente de los átomos en 1897, se creía que los átomos masas de carga positiva con cargas negativas incrustadas.

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Pero, con el descubrimiento de que los átomos emitían también radiación neutra, Henry Ruthenford y Niels Bohr establecieron “bolas” en 1913: un núcleo donde residen los protones y los neutrones, rodeado de varias capas de electrones que orbitan a su alrededor. Se le suele llamar el modelo de Bohr pero la gente a veces también se refiere a él como el modelo planetario, precisamente porque las partículas aparecen representadas de manera parecida a la que los planetas dan vueltas alrededor del sol.

Por supuesto, la finalidad de este modelo no es puramente estética, aunque cualquiera podría creerlo a juzgar por la mejora que representa respecto al dibujo anterior. El modelo va acompañado de una serie de reglas que rigen el comportamiento de los átomos como, por ejemplo, que un átomo se encuentra en equilibrio cuando tiene el mismo número de protones que de electrones o, lo que es lo mismo, que las cargas positivas y negativas están igualadas. El modelo también postula la existencia de varias “capas” en las que diferentes números de electrones pueden encontrarse, algo que determina el comportamiento de los átomos.

Gracias a estos planteamientos se podían hacer predicciones muy precisas como, por ejemplo, qué ocurrirá cuando un compuesto químico se mezcle con otro y qué productos producirá la reacción química. Y por eso se empezó a utilizar este modelo, porque las predicciones hechas con él se ajustan a la realidad, independientemente de si los átomos tienen o no el aspecto con el que los representemos en papel.

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Pero el modelo atómico planetario está obsoleto. Aún había más cosas que descubrir sobre los átomos que cambiarían nuestra concepción del mundo a esas escalas.

Resulta que más adelante se descubrió que el modelo de Bohr tampoco era correcto. Un físico francés llamado Louis De Broglie notó que cuando un rayo de electrones incidía contra un objetivo los electrones se comportaban como una partícula pero, cuando se les permitía campar a sus anchas por el espacio, los electrones se comportaban como una onda.

Era un fenómeno muy extraño: ¿cómo puede algo comportarse a ratos como una onda y a otros como una partícula? Un buen ejemplo es el famoso experimento de la doble rendija, que aparece muy bien explicado en este vídeo con una estética un tanto curiosa. En resumidas cuentas: los electrones se comportan como ondas hasta que el momento en el que los observas (no me refiero a mirarlos, sino a intentar medir su posición con algún instrumento). En ese momento, se convierten en partículas.



La cuestión es que, si se comportan como una onda cuando no interaccionan con la materia, entonces los electrones deberían comportarse también como ondas mientras dan vueltas alrededor del núcleo atómico y no será hasta el momento en el que se haga una medición para conocer su posición que descubriremos en qué punto alrededor del átomo se encuentran.

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planetas

Esto significa que los electrones no son partículas individuales que dan vueltas alrededor del núcleo del átomo a una velocidad constante. Si existen en forma de una onda hasta el momento en el que son observados, instante en el cual se convierten en una partícula en algún punto alrededor del átomo, el problema de qué aspecto tiene un átomo se había convertido en un fenómeno estadístico.

Erwin Schrödinger se propuso descubrir qué forma tendrían esas ondas que determinan los posibles lugares donde se puede encontrar un electrón. Tomando los parámetros que describen las propiedades de los electrones (como su masa y su energía) pudo encontrar una ecuación que predice las posibles posiciones en las que se puede encontrar un electrón alrededor de un átomo. Esta es la famosa ecuación de Schrödinger, postulada en 1925, el pilar sobre el que se fundamenta la mecánica cuántica.

En el nuevo modelo planteado por Schrödinger existían varias zonas en las que el electrón tiene una probabilidad concreta de encontrarse en un momento determinado, según su energía. Si nadie observa el átomo, el electrón adoptará la forma de una onda que ocupa al mismo tiempo todos los lugares posibles donde pueda encontrarse.

O sea, que un átomo (de hidrógeno, en este caso) tendría más bien el aspecto de la siguiente imagen: un núcleo rodeado por una “nube estadística” habitada por los electrones, resultado de unir todos los puntos en los que tienen una probabilidad concreta de encontrarse en un momento dado.

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Las zonas más brillantes representan las zonas en las que existe una mayor probabilidad de que se encuentre el electrón. Pero en esa imagen parece que estas formas sean bidimensionales, lo que no se ajusta a la realidad porque los átomos son objetos tridimensionales. Estas ondas, por tanto, también tienen una forma tridimensional y el aspecto real de estas “nubes estadísticas” sería más bien así:

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¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?

Y, por fin, viendo la naturaleza real de los átomos, podéis ver por qué la estructura de un átomo no se parece absolutamente en nada a la del sistema solar: a parte de que el comportamiento de los planetas no es estadístico, están limitados a dar vueltas todos más o menos en el mismo plano alrededor del sol, mientras que los electrones pueden encontrarse en una posición cualquiera del volumen que rodea el núcleo atómico.


Oye pero, si el modelo atómico de Bohr es incorrecto… ¿Por qué se sigue enseñando?



Porque el modelo de Schrödinger es muchísimo más complicado y más difícil de entender. En términos de química básica, como la que se da en los institutos, es mucho más fácil e intuitivo utilizar el modelo planetario porque sus predicciones son suficientemente precisas como para familiarizarse con el funcionamiento de las reacciones químicas. Lo que falla es que nadie nos suele decir en el instituto que no es el modelo que mejor se ajusta a la realidad, claro.

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