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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