Del atomismo de Leucipo y Demócrito, hasta John Dalton.
El
concepto atómico de la materia surgió en la cultura occidental, aproximadamente
en el año 450 a. n. e., con el filósofo griego llamado Leucipo de Mileto. A
pesar de que Leucipo no dejó nada escrito, sus ideas están reflejadas en los
escritos de su discípulo Demócrito
de Abdera (h. 470-400 a. de C.). La esencia de esta filosofía
atómica antigua puede enunciarse en la siguiente serie de postulados:
1. Todas las cosas están compuestas de átomos sólidos.
2. Espacio o vacío, es decir, vacuidad, existe entre los átomos.
3. Los átomos son eternos.
4. Los átomos, por ser demasiado
pequeños, no son visibles.
5. Los átomos son indivisibles.
6. Los átomos son homogéneos.
7. Los átomos son incompresibles.
8. Los átomos difieren uno de otro por su
forma, tamaño y distribución geométrica.
9. Las propiedades de la materia varían
según el agrupamiento de los átomos.
10. El movimiento de los átomos es eterno
y debe ser causado por otro que le precede.
Los
Postulados 3 y 10 son proposiciones de las leyes de conservación de la materia
y de la energía.
El atomismo
no fue aceptado en aquella época debido a que la experimentación organizada
como medio para comprobar resultados científicos era desconocida. Esta teoría
fue desplazada por una proposición más simple hecha por Empédocles de Agrigento
(480 – 430),
contemporáneo de Demócrito, quien propuso que todos los
materiales estaban compuestos de cuatro
elementos: tierra (Jenófanes de
Colofón), aire (Anaxímenes de
Mileto), fuego (Heráclito de Éfeso)
y agua (Tales de Mileto), y que cada
par de éstos compartía una propiedad o una cualidad primarias.
También se cree
que fue Empédocles quien por primera vez
asoció los poliedros platónicos, el tetraedro, el hexaedro, el icosaedro y el
octaedro a la tierra, el fuego, a la tierra, el agua y el aire respectivamente.
Platón (447 – 347 a.C.) relacionó
posteriormente el dodecaedro con la sustancia de la que estaban compuestas
las estrellas, ya que por aquellos tiempos se pensaba que ésta habría de
ser diferente a cualquiera de las de la Tierra. En su diálogo Timeo, Platón pone en boca de Timeo de Locri estas palabras: “El fuego
está formado por tetraedros; el aire, de octaedros; el agua, de icosaedros; la
tierra de hexaedros; y como aún es posible una quinta forma, Dios ha utilizado
ésta, el dodecaedro pentagonal, para que sirva de límite al mundo”. Los cuatro elementos clásicos griegos datan de
los tiempos presocráticos y perduraron a través de la Edad Media hasta el
Renacimiento, influyendo profundamente en la cultura y el pensamiento europeo.
Un
siglo después, las teorías atómicas de Demócrito fueron modificadas, ampliadas
y propagadas por Epicuro,
su discípulo más famoso.
Las doctrinas del atomismo se perpetuaron por medio
del poema De Rerum Natura escrito alrededor del año 50 a. de C. por el poeta
romano Lucrecio. Este poema se
conservó en diferentes monasterios hasta que fue redescubierto en el año 1473;
pero en realidad las semillas sembradas por Lucrecio no dieron fruto hasta unos
dos siglos más tarde. Entonces fue cuando el punto de vista atomístico ganó adeptos
entre los interesados en la filosofía natural. En 1661, el físico y químico
inglés Robert Boyle definió los
elementos en el sentido moderno y, cinco años más tarde, publicó una versión
del atomismo en su trabajo científico titulado Origin of Form and Qualities.
Los contemporáneos de Boyle también aceptaron una filosofía corpuscular, es
decir, molecular.
El atomismo llegó a ser una filosofía aceptable
desde el tiempo de Boyle hasta finales del siglo XVIII, y en 1808 John Dalton, en Manchester, Inglaterra,
presentó su propia teoría atómica con la publicación de su New System of
Chemical Philosophy. La teoría de Dalton puede resumirse en:
1. Los átomos son
partículas individuales de materia que no pueden subdividirse por ningún
proceso conocido.
2. Los átomos son tan
indestructibles que resisten la aplicación de cualquier tipo de fuerza
conocida.
3. Los átomos que componen
una sustancia elemental son similares entre sí en masa, tamaño y en cualquier
otra cualidad.
4. Los átomos de un
elemento simple, por ejemplo, hidrógeno, oxígeno y carbono, difieren en masa y
otras propiedades de los de otra sustancia elemental.
5. La combinación química
se efectúa cuando diferentes tipos de átomos elementales se unen en
proporciones numéricas simples para formar compuestos.
6. Las masas relativas de
los átomos que forman un compuesto están representadas por las masas relativas
de los elementos que reaccionan para formar el compuesto.
La teoría de Dalton describe adecuadamente lo mejor
del pensamiento de su tiempo, pero el estudiante encontrará que esos postulados
no permiten sostener los conceptos modernos de la estructura atómica y
molecular. No obstante, estas ideas sirvieron como puntos de partida, en torno
de los cuales evolucionaron el pensamiento y la experimentación científica.
El Tubo de Rayos Catódicos (TRC) y los Rayos Canales.
Una propiedad que liga
claramente a la materia con la electricidad, descubierta a principios del siglo
XIX, se refiere a la disociación de compuestos químicos por corrientes
eléctricas en un proceso conocido como electrólisis. Este proceso fue
descubierto accidentalmente en 1800 por William
Nicholson y Antony Carlisle mientras estudiaban la operación de baterías
eléctricas. Utilizando gotas de agua para mejorar el contacto eléctrico de una
batería, notaron que se producían burbujas. Luego, al estudiar con más cuidado
el fenómeno, se dieron cuenta de que cerca de la terminal negativa de la
batería el gas liberado era hidrógeno, mientras que en el lado positivo se
producía oxígeno.
Pronto se estudió
la disociación de otros compuestos utilizando este método. Uno de los trabajos
más extensos realizados en este campo fue el de sir Humphrey Davy, quien con la ayuda de la electrólisis descubrió los
elementos sodio y potasio al someter ciertas soluciones salinas a la acción de
corrientes eléctricas. La primera interpretación aceptable de esta
fenomenología fue desarrollada por el célebre Michael Faraday en la década de 1830. En sus experimentos, Faraday
encontró que los productos de la electrólisis siempre aparecían en una
proporción fija. Por ejemplo, al pasar una corriente eléctrica por una muestra
de agua, se obtienen ocho partes de oxígeno por una de hidrógeno. También
observó que una carga eléctrica fija cedida en la electrólisis producía
cantidades constantes de elementos disociados. Faraday denominó iones a los
productos de la disociación y, más específicamente, aniones y cationes según si
éstos eran colectados en la vecindad del ánodo —la terminal positiva— o del
cátodo —terminal negativa—.
Las descargas
eléctricas a través de gases habían sido observadas en el laboratorio por Francis Hauskbee quien, en 1709,
reportó la aparición de una luz extraña cuando electrificaba un recipiente de
vidrio que contenía aire a baja presión. Otros estudiosos del fenómeno fueron William Watson, quien en 1748 notó la
aparición de flamas en la zona de vacío de sus barómetros de mercurio, y
Michael Faraday, quien en 1838 realizó experimentos con descargas eléctricas a
través de gases enrarecidos. La conducción eléctrica a través de gases intrigó
a Faraday, ya que incluso los gases que eran considerados como aislantes,
cuando eran enrarecidos, propiciaban fácilmente ese tipo de descargas. ¿Sería
posible la conducción eléctrica en el vacío? En tal caso, se podría estudiar
directamente la naturaleza del fluido eléctrico. Antes de que se lograra dar
respuesta a esta pregunta, debieron desarrollarse tres técnicas experimentales
fundamentales: una bomba de vacío
eficiente, un sello metal-vidrio
que permitiera transmitir el potencial eléctrico a los electrodos dentro de la
zona evacuada y la bobina de inducción
para obtener las enormes diferencias de potencial requeridas. La necesidad
de este tipo de cambios se aprecia mejor si se considera que Faraday utilizaba
un tubo de vidrio tapado en ambos extremos por corchos a través de los cuales
hacía pasar alambres para conectar los electrodos internos a una batería.
Las primeras
bombas de vacío funcionaban con pistones ajustados a sus respectivos cilindros
a través de empaques que sellaban muy mal. No fue sino hasta 1855 que Johann Heinrich Geissler inventó en
Bonn, Alemania, una bomba que utilizaba columnas de mercurio como pistones, y
que eliminaba así los empaques. De este modo, se lograron obtener presiones de
una diezmilésima de atmósfera. Simultáneamente, el mismo Geissler desarrolló
nuevos tipos de vidrio cuyos coeficientes de dilatación eran iguales a los de
algunos metales, con lo que permitió pasar alambres a través de vidrio fundido
sin peligro de que se formaran fracturas por las que se perdiera el vacío.
Otra mejora
indispensable fue la obtención de grandes diferencias de potencial eléctrico.
En este sentido, la contribución de otro alemán, Heinrich Daniel Ruhmkorff, fue importante. Como ya se mencionó, los
primeros experimentos con tubos de descarga obtenían sus voltajes de baterías
enormes conectadas en serie. Ruhmkorff modificó la bobina de inducción para
obtener algo parecido a las bobinas de los automóviles actuales, con las que se
producen descargas de miles de voltios a partir de una batería de menos de diez
voltios.
Con estos avances,
en 1858 el profesor alemán Julius Plücker
estudió la conducción de electricidad a través de gases a muy baja presión
utilizando un tubo de vidrio en el que colocó dos placas metálicas en la parte
interior de los extremos. Tal como se había observado antes para un vacío
pobre, Plücker vio cómo se iluminaba todo el tubo al aplicar electricidad a las
placas. Sin embargo, cuando casi todo el gas era evacuado notó que esa luz
desaparecía quedando tan sólo un resplandor verdoso en el vidrio cercano a la
zona de la placa conectada a la terminal positiva de su fuente de electricidad
(el ánodo); la imagen luminosa no dependía mucho de la posición de ese
electrodo. Más bien, parecía como si la luminosidad en esa zona fuera producida
por algún tipo de rayos emitidos por la placa conectada al cátodo, y que
viajaban de una placa a la otra a través del vacío. Plücker también observó que
la posición de la imagen luminosa podía ser modificada si se acercaba un imán a
la zona del ánodo. Un alumno de Plücker, J.
W. Hittorf, encontró que al interponer objetos entre el cátodo y el ánodo
se producían sombras en la imagen luminosa, con lo que reforzó la idea del
origen catódico para esos rayos. El nombre de rayos catódicos fue introducido
años después por el investigador alemán Eugen
Goldstein, quien además demostró que las propiedades de esos rayos no
dependían del material de que estuviera hecho el cátodo.
Una de las
primeras teorías sobre la naturaleza de los rayos catódicos fue propuesta por
el inglés William Crookes, quien
sugirió que se podía tratar de moléculas de gas, cargadas eléctricamente en el
cátodo y, posteriormente, repelidas violentamente por la acción del campo
eléctrico. Goldstein puso en duda esta hipótesis basado en la gran
penetrabilidad que demostraban tener los rayos catódicos, lo cual había sido
interpretado por el físico alemán Heinrich
Hertz como una indicación de que, en lugar de partículas, los rayos
catódicos serían ondas electromagnéticas tal como él mismo había demostrado que
era la luz. Sin embargo, en 1895 el físico francés Jean Baptiste Perrin encontró que los rayos catódicos depositaban
carga en un electroscopio, con lo que confirmó que se trataba de partículas
cargadas. Fue por aquellas fechas que el inglés Joseph John Thomson se interesó en medir la velocidad de dichas
partículas.
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