La existencia del átomo

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¿El átomo existe? ¿Seguro que el átomo existe? Hoy, después de unas cuantas bombas nucleares, aceleradores de partículas y microscopios de efecto túnel, la mayoría respondería que sí, sin dudarlo. Pero durante siglos, la idea del átomo fue solo una hipótesis filosófica, una construcción abstracta propuesta por Demócrito y discutida por generaciones de pensadores sin prueba tangible. La química, como ciencia experimental, se construyó durante mucho tiempo sin necesidad de asumir que los átomos fueran reales. Se hablaba de proporciones definidas, de reacciones estequiométricas, de leyes ponderales, sin saber si esas entidades diminutas eran más que ficciones útiles.

Figura 1. Albert Einstein.  (Ulm, Imperio alemán, 14 de marzo de 1879-Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955) fue un físico alemán de origen judío, nacionalizado después suizo, austriaco y estadounidense. Se lo considera el científico más importante, conocido y popular del siglo XX.

No fue hasta bien entrado el siglo XX que la existencia del átomo dejó de ser una conjetura para convertirse en evidencia empírica. Y no por simple observación directa, sino por el efecto demoledor y medible que su energía contenía. El desarrollo de la energía nuclear, los estudios sobre la estructura electrónica, y la posibilidad de contar con instrumentos capaces de "ver" o al menos medir las huellas del átomo, convirtieron en certeza lo que antes era solo especulación. Sin embargo, incluso hoy, el átomo sigue siendo una construcción teórica, una unidad básica de la materia que solo entendemos mediante modelos, ecuaciones y comportamientos colectivos.

El mol

En secciones anteriores hemos visto cómo la química de gases permitió encontrar una manera estándar de determinar pesos atómicos. El volumen de 22.41 L a 0 °C y 1 atm fue inicialmente conocido como "peso equivalente molécula a gramos", una expresión que más tarde se abrevió como "molécula-gramo", término utilizado hasta casi finales del siglo XX. Sin embargo, esta denominación fue objeto de críticas, ya que los molécula-gramo, empleados para calcular los átomo-gramo (masas relativas), partían de la noción de átomo, un concepto que muchos químicos de la época todavía cuestionaban. Wilhelm Ostwald se opuso a la parcialidad del término molécula-gramo, argumentando que implicaba aceptar sin evidencia concluyente la existencia de la molécula. Por esta razón, el término fue acortado a mol, interpretado como una cantidad de sustancia que podía entenderse de forma discreta o continua, sin que su definición dependiera de la existencia de átomos o moléculas. Dado que era un nombre más conciso y fácil de manejar, fue ampliamente adoptado. Así, el mol pasó a definirse como la masa de un gas que ocupa 22.41 L a 0 °C y 1 atm, lo que permitió establecer una relación directa entre la medición experimental de volúmenes y las cantidades de sustancia, cimentando las bases de una química cuantitativa y reforzando el papel del modelo atómico en el entendimiento moderno de la materia.

El movimiento browniano

El movimiento browniano es un patrón de movimiento aparentemente caótico que puede explicarse como resultado de las interacciones o choques de una partícula visible con muchas otras partículas invisibles, como átomos o moléculas, presentes en el medio en el que se encuentra la partícula en movimiento. Este fenómeno proporciona evidencia de la existencia de átomos y moléculas, ya que la naturaleza aleatoria del movimiento solo puede ser explicada por las colisiones con estas partículas invisibles.

Figura 2. Jean Baptiste Perrin  (Lille, 30 de septiembre de 1870-Nueva York, 17 de abril de 1942) fue un químico físico francés galardonado con el Premio Nobel de Física en 1926 por sus trabajos sobre los rayos catódicos y sobre el equilibrio de sedimentación.

Este movimiento lleva el nombre del botánico Robert Brown, quien describió por primera vez el fenómeno en 1827, mientras observaba a través de un microscopio el polen de la planta Clarkia pulchella inmerso en agua. En 1900, el matemático francés Louis Bachelier modeló el proceso estocástico ahora llamado movimiento browniano en su tesis doctoral, La Teoría de la Especulación (Théorie de la spéculation), preparada bajo la supervisión de Henri Poincaré. Luego, en 1905, el físico teórico Albert Einstein publicó un artículo donde modelaba el movimiento de las partículas de polen como movidas por moléculas de agua individuales, haciendo una de sus primeras contribuciones científicas importantes. A través de su análisis, Einstein proporcionó una base teórica cuantitativa que permitió relacionar el movimiento visible de las partículas con el comportamiento invisible de las moléculas, fortaleciendo así la aceptación empírica del modelo molecular de la materia.

La realidad del átomo

En uno de sus primeros trabajos, que aunque no es tan famoso, es extremadamente relevante dentro de la historia de la teoría atómica clásica, Einstein decidió estudiar una explicación para el movimiento browniano. El artículo de Einstein era teórico –como todo lo que hizo–, por lo que su modelo debió ser validado experimentalmente. El encargado de demostrar finalmente la existencia de los átomos fue Jean Perrin (1870-1942), quien realizó medidas de un sistema real, precisamente el mismo empleado por Einstein de forma teórica: un cilindro con una solución que podía ser descrita en términos de las leyes de los gases, la presuposición de la existencia de átomos/moléculas y las suficientes modificaciones, obteniendo resultados que concordaban con el supuesto de la existencia de átomos y moléculas. Gracias a este trabajo, Perrin recibió el Premio Nobel en 1926.

Resulta bastante conmovedor que, a pesar de que muchos contemporáneos e historiadores de las ciencias le acreditan a Perrin el ser el primero en dar una prueba directa de la existencia de la realidad discontinua de la materia, al mismo tiempo hubiera terminado por ser excluido del libro de texto y de la historiografía estándar del átomo en la escuela. Además de su contribución a la comprensión de la realidad del átomo, Perrin realizó otro avance significativo al determinar el número de entidades presentes en un mol de sustancia. Uno de los primeros valores calculados fue 6.70 x 10²³ moléculas en un mol de sustancia. La demostración de Perrin resultó ser convincente incluso para los críticos de la teoría atómica, al punto de que logró convencer a Ostwald de que estaba equivocado y que la teoría atómica era más que una mera especulación.

Sin embargo, es importante destacar que Perrin no reclamó el mérito para sí mismo. Reconoció que la primera persona en intuir la existencia de este número fue el Conde Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, y citó: "Este número es una constante universal, que se puede designar apropiadamente como la constante de Avogadro. Si se conoce esta constante, se conoce la masa de cualquier molécula". La comunidad científica aceptó esta recomendación y desde entonces la variable se conoce como el número de Avogadro, simbolizado como $N_A$. También se resalta que pueden existir premios Nobel, expertos en el tema –como Ostwald– que son negacioncistas minoritarios de un modelo o teoría aceptada por el resto de la comunidad. En este caso, lo que valida a la teoría no es la apelación a las mayorías, sino al hecho de que el programa de investigación mayoritario se demuestra fructífero y aplicable a aspectos que originalmente no venían incluidos por los proponentes originales. Esto es lo que puede ser denominado como un programa de investigación progresivo

Cabe resaltar que la década en la que Perrin obtiene el Nobel también es la década en la que el modelo del átomo cuántico queda establecido, y el camino hacia el mundo de las partículas cuánticas y la física de partículas lleva a la física moderna, con el modelo estándar y los grandes aceleradores de partículas.

Referencias

Bigg, C. (2008). Evident atoms: Visuality in Jean Perrin’s Brownian motion research. Studies in History and Philosophy of Science Part A, 39(3), 312–322.

Einstein, A. (1905). On the motion of small particles suspended in liquids at rest required by the molecular-kinetic theory of heat. Annalen Der Physik, 17, 549–560.

Haw, M. (2005). Einstein’s random walk. Physics World, 18(1), 19–22.

Lakatos, I. (1978). The methodology of scientific research programmes. Cambridge University Press.

Perrin, J. (1909). Mouvement brownien et réalité moléculaire. In Annales de Chimie et de Physique (Vol. 18, pp. 5–104). Retrieved from https://djalil.chafai.net/docs/M2/history-brownian-motion/Perrin - 1909 - French.pdf

Perrin, J. (1911). La réalité des molécules. Revue Scientifique, 25(16), 774–784.

Perrin, J. (1913). Les atomes. Alcan.