domingo, 17 de noviembre de 2013

El Tío Tungsteno: 24) Luz brillante

Grabado de Cammille Flammarion
Grabado de Flammarion, C. (1888), L'atmosphère: météorologie populaire. Paris: Librairie Hachette et cie., 808 p.

Comienza el capítulo con una cuestión metafísica: ¿cuántos elementos necesitaría Dios para construir un universo? William Prout conjeturó en 1815, al observar que las masas atómicas eran casi números enteros, que el hidrógeno con masa atómica uno era el elemento primordial y que todos los demás habían sido construidos a partir de él. A pesar de los inconvenientes que las masas atómicas con decimales planteaban, esta hipótesis era tan hermosa, tan sencilla, que muchos físicos y químicos creían que contenía  una verdad esencial.

Un sigo más tarde, un ayudante del gran Rutherford, Harry Moseley comprendió tras varios experimentos que había una propiedad del átomo más fundamental que la masa atómica, la carga del núcleo. A pesar de que su propuesta no fue aceptada al principio por algunos colegas, lo cierto es que el número atómico el número de protones del núcleo indicaba la identidad de cada elemento químico de una manera absoluta y segura (permitiendo comprender la naturaleza de los isótopos).

Los nuevos avances no hicieron sino permitir que surgieran nuevas preguntas para las que no se tenía respuesta. Quizás la más importante fuera comprender qué permitía que los elementos fueran estables, que permanecieran inmutables durante miles de millones de años. Para ello hubo que superar el modelo atómico de Rutherford (llamado del sistema solar) gracias a los trabajos de otro de sus ayudantes, Niels Bohr, quien unificó el modelo atómico de su mentor con los trabajos de Max Planck.

Bohr postuló que cada átomo tenía un número limitado de órbitas que podían ocupar los electrones cada una de ellas con un nivel de energía específico. En el “estado básico”, el menos energético, un electrón podía permanecer orbitando el núcleo de forma indefinida sin perder energía. Por otra parte, los electrones podían desplazarse brevemente a “estados estacionarios” de energía más elevada. Así, si un átomo absorbía energía de una frecuencia determinada, podía desplazar un electrón de su estado de reposo a una órbita superior, volviendo en un breve lapso de tiempo a su estado básico emitiendo energía de la misma frecuencia que la absorbida.

Los experimentos corroboraron los postulados teóricos de Bohr y ello permitió avanzar en la comprensión de la teoría cuántica. A medida que la carga del núcleo aumentaba ―su número de protones― había que añadir un número igual de electrones para que la carga del átomo siguiera siendo neutra. Sin embargo, esta suma se hacía de manera jerárquica y ordenada: primero se ocupaba la órbita de menor energía y así de forma sucesiva. De esta forma se logró comprender que las órbitas de Bohr se correspondían con los periodos de Mendeléiev: la tabla periódica de los elementos cobraba un nuevo significado.
De este modo, la posición de cada elemento en la tabla periódica representaba el número de electrones de sus átomos, y la reactividad y unión de cada elemento podían verse en términos electrónicos, según los electrones que había en la órbita exterior, los así llamados electrones valencia.
Oliver describe la sensación que le causó comprender la profundidad de estos descubrimientos: “Todo era divinamente hermoso, lógico, simple, económico, el ábaco de Dios en funcionamiento”.

Ahora cobraban significado el poder, por ejemplo, de la luz azul o violeta (una luz de onda corta) para velar una película fotográfica frente a la luz roja o de onda larga. Gracias a las conclusiones de Bohr y Planck, comprendió que un cuanto de luz de onda corta poseía más energía que uno rojo; así como un cuanto de rayos X o rayos gamma tenía aún mucha más energía. Cada átomo o molécula precisaba cierto nivel específico de energía para provocar una reacción.

Una vez comprendido el funcionamiento de los átomos, el planteamiento del funcionamiento de las estrellas del universo era el siguiente paso lógico. Las reacciones químicas no podían explicar la enorme energía de radiación de nuestro Sol; tampoco la radiactividad parecía una fuente plausible de energía así que, ¿cuál podía ser el origen de las estrellas?

Hasta 1929 no surgió la idea de la energía termonuclear: la de que los átomos de los elementos ligeros, dada la enorme presión y temperatura del interior de las estrellas, podían llegar a fusionarse para generar átomos más pesados que los del hidrógeno. Había que bombear una enorme cantidad de energía hacia el interior de los núcleos ligeros para lograr su fusión, pero una vez que sucedía, se liberaba más energía aún, lo que provocaba una retroalimentación y la nueva fusión de más y más elementos.
Así, mediante una emocionante convergencia, se solucionaban al mismo tiempo dos antiguos problemas: el brillo de las estrellas y la creación de los elementos. Bohr había imaginado una Aufbau [del alemán Aufbauprinzip: principio de construcción] una construcción de todos los elementos comenzando por el hidrógeno, como un modelo puramente teórico, pero resultaba que tal Aufbau tenía lugar en las estrellas. El hidrógeno no era sólo el combustible del universo, era su componente básico, el átomo primordial, tal y como Prout había pensado ya en 1815.

De nuevo como hiciera Juan Carlos la semana pasada, no voy a proponer unas cuestiones formales para el debate. Creo que este capítulo es lo suficientemente bello e interesante como para que cada uno exponga lo que mejor le parezca.

En mi caso, me ha dejado un regusto amargo porque es me ha dado la sensación de ser el eslabón que viene a cerrar una cadena. No solo por la circularidad de la exposición (de Prout a Prout) sino porque creo que Oliver, al llegar a este punto, ha cerrado un ciclo en su vida.

Del mismo modo me ha dado mucho que pensar: ¿no tendrían razón los antiguos alquimistas cuando afirmaban que era posible transmutar unos elementos en otros? Técnicamente la física nuclear dice que sí: añadiendo o quitando protones a un núcleo lo podemos transformar en el de otro elemento, aunque el método pueda ser enormemente difícil y costoso.


9 comentarios:

  1. Comenté por Twitter que es un capítulo precioso y con muchas cosas que sacarle. Además, el ersumen de José Luis (as usual) está muy cuidado. Perdonad que no traiga apuntada ninguna idea..., seguí leyendo, me quedé con un regusto amargo del siguiente capítulo... y tendría que volverlo a leer (pero ahora mismo, y hasta mañana o pasado) no tengo mi libro :(

    En cuanto a la transmutación: un rotundo Sí! Lo que la (Al)Química no pudo conseguir, se hace en las centrales nucleares. No van detrás de conseguir oro en forma de Au, pero sí energía, que al fin y al cabo viene a ser lo mismo. Si los alquimistas levantaran la cabeza..., se sorprenderían de que el mundo sea mucho más emocionante que su lenguaje oscurantista de Hermes Trimegisto, mercurio, etc. De hecho, no se llama transmutación porque "por Dios, no diga esa palabra, que nos tacharán de alquimistas", pero a efectos prácticos es una idea que he leído a Sam Kean (La cuchara menguante), en Antes de Hiroshima. De Marie Curie a la bomba atómica de Diana Preston y alguno más.

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  2. Hola a todos.

    Este capítulo viene a cerrar un ciclo. Nos habla sobre la transmutación (yo sí que usaré este término) de unos elementos en otros. Se llega a la célebre conclusión de Carl Sagan: "todos somos polvo de estrellas". Todos y todo. ¿Puede haber algo más bello?

    Formamos parte de un ciclo eterno en el que unas formas de la materia se convierten en otras para dar lugar a todo lo que alguna vez fue o será. Una idea de interconexión que personalmente me fascina. Las condiciones físicas en la vida de las estrellas dan lugar a todos los elementos conocidos. Y todo esto expresado en el lenguaje de las matemáticas nos permite una comprensión suprema. Somos unos privilegiados.

    También me he sentido privilegiado al poder participar en estas tertulias. Me han hecho pensar y aprender. Tenéis todo mi apoyo y tendréis mi participación en cualquier proyecto que surja a partir de este. Aunque pido disculpas por ser un poco disperso en ocasiones.

    Un saludo.

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  3. Me siento muy orgullosa de haberme arriesgado a participar en estas tertulias, a pesar del temor que me producía no tener un contacto tan estrecho con la química como la mayoría de los tertulianos, lo mío es más la bioquímica, la genética. He disfrutado un mucho y he aprendido más, sois unos grandes pensadores, y unos grandes comunicadores. Tienes razón, Juan Carlos, un proyecto a largo plazo en el cual la ÚNICA recompensa es el gusto por saber, por compartir, por aprender puede tener un futuro corto. Me alegra que no se haya ido perdiendo el interés, incluso, en mi caso, y en mi casa, todos saben que los domingos hago algo con... la ciencia, por el gusto de hacerlo y no tiene que ver con mis deberes del trabajo. Cuando digo "estoy con tertulias de ciencia", me dejan tranquila, poco rato, pero me dejan que ya es mucho.
    Un placer haber conocido las ideas de todos los tertulianos. Una gran satisfacción comprobar que, en un país en el que se valora tan poco la cultura, la ciencia, hay personas tan variadas dispuestas a disfrutar, a discutir, a compartir en positivo y en ciencia.

    Respecto al capítulo de hoy, el resumen muy trabajado, se vuelve a notar vuestra valía, hoy la de @jlmgarvayo
    A mi me ha hecho pensar en las estrellas, las hemos estado trabajando hace muy poquito, recordar cómo del hidrógeno se va pasando al resto de elementos, cómo va cambiando la morfología, para llegar a un final, unas veces espectacular de las supernovas, otras con el guiño de una enana blanca. Todo esto me produce cierto vértigo ¡tanto por descubrir! ¡Tanto por saber!

    Sobre el próximo libro, lo importante es seguir compartiendo, seguir debatiendo CIENCIA, el libro es una excusa que, estoy segura, sabréis elegir.

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  4. Hola a todos. Genial resumen de Jose Luis.
    ¿Y la imagen? es porque en este capítulo por fin hemos mirado en el interior de las estrellas (vemos más allá de la cúpula celeste).

    Sobre el capítulo:

    A mi lo que más me ha gustado es la simplicidad con la que explica el átomo de Bohr. Sinceramente, a la vista de los conocimientos actuales, no me parece una idea compleja. Es el principio de la cuántica y esos primeros pasos: “la configuración electrónica y el efecto fotoeléctrico” los suelen entender sin dificultad los alumnos que prestan atención.

    Otra cosa bien distinta es la emisión del cuerpo negro, que casualmente fue lo primero en describirse en términos de energía cuantizada, ¡los alumnos no lo suelen entender!. ¿Será casualidad que Oliver Sacks se haya olvidado de explicarla con la misma precisión que las dos anteriores o simplemente habrá optado por eliminarla por su complejidad? La verdad es que la explicación de la emisión del cuerpo negro siempre me ha parecido una gran genialidad porque logró descubrir que para deducir el fenómeno desde fórmulas debía de incluir en las fórmulas una cuantización: ¡las matemáticas descubren algo físico! MARAVILLOSO ¡esta forma de “hacer ciencia” ha abierto muchos caminos desde entonces!

    Un saludo a todos.

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    1. Efectivamente Juan Carlos, he elegido el grabado de Flammarion por la interpretación habitual que se hace de su significado relativo al descubrimiento de los resortes que mueven el universo (la comprensión de su origen y funcionamiento)

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  5. El regusto amargo con el que se ha quedado José Luis me ha recordado la impresión que daba la física a finales del siglo XIX: una ciencia terminada que sólo requería añadir unos decimales más a los cálculos. Todo lo fundamental, suponían, estaba hecho. ¿Puede haber un panorama más triste para una ciencia?

    Afortunadamente, surgió ese artificio del que echó mano Planck, al que llamó "cuanto" y que tanto le disgustaba. Y Bohr se apoyó en él para concebir un átomo con el que el misterio de la luz azul y el efecto fotoeléctrico dejaran de ser enigmas insondables.

    Al final, Pitágoras tenía razón. Los números enteros y sus proporciones podían explicar la armonía del cosmos, un cosmos infinitesimal que el sr. Moseley se encargó de ordenar definitivamente, y que interacciona con su entorno mediante múltiplos enteros del cuanto de energía.

    De repente, todo encaja y la sensación es maravillosa...

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    1. Muy bien explicado. Nos puede resultar gratificante pensar que disponemos de un conocimiento completo de un campo determinado de la ciencia (física, química etc.) y que "ya está todo hecho", pero lo cierto es que si rascamos un poquito la superficie nos daremos cuenta que siempre hay nuevas preguntas por responder... y qué fantástico es comenzar de nuevo el viaje...

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  6. No soy muy constante, pero sí que he continuado con la lectura del libro y de los debates en el blog. También para mí está siendo una experiencia muy enriquecedora.
    Estoy de acuerdo con la referencia a Pitágoras. No entiendo por qué habla de una “matemática divina” en Leibniz, porque su “mathesis universalis” tiene más que ver con el método del conocimiento, con el Discurso del Método de Descartes, y con la Lógica simbólica posterior, y no tanto con la Física. Además, su concepto de la cantidad es continuo, a diferencia de la actual Física cuántica. Pitágoras, en cambio, sí que tendría una mayor relación. Como dice Aristóteles en la Metafísica: “Los llamados pitagóricos [...], al ver que toda la Naturaleza parecía poderse reducir a los números, y al ser, por su parte, los números anteriores a todas las cosas, fueron a creer que los elementos de los números eran también elementos de todas las cosas, y que el Universo astronómico entero es una combinación armónica de números.” Fueron también pioneros en el tratamiento matemático de la música y quienes hablaron sobre la música de las estrellas. Pienso que, salvando las distancias, los cuantos de energía en los que está la Física actual recuerdan a los elementos pitagóricos.
    Otra duda que tengo es sobre la teoría del Big Bang: Sacks no menciona a Lemaître y sí lo hace con Gamov. De todos modos, sus explicaciones son muy didácticas. Y sí que parece que llegan al final. Acaba diciendo: “Todo eso era lo bastante bello para ser obra de Dios”, como si terminara una jornada del Génesis.
    Un par de consideraciones. No me parece que la situación de la Física actual dé la razón al atomismo antiguo, aunque pueda pensarse que los átomos, el vacío y el azar (o la indeterminación) sean explicaciones suficientes; ni a la ética epicúrea, según la cual no debemos temer a la muerte porque no sería más que el deshacerse de nuestros átomos. No debemos olvidar la forma, la estructura, el sistema, en los cuales la inteligencia puede llegar a comprender el Cosmos. Como leí una vez, el arco no está en la vara, sino que ésta es un recurso en el que vemos una oportunidad. La inteligencia teórica o práctica es más poderosa que el material con el que se encuentra y más penetrante que el simple análisis en el que vamos reduciendo y olvidando la visión del conjunto.
    Lo segundo que me vino a la cabeza cuando estaba leyendo es que el autor parece llevarnos por la historia de la química repasando particularmente las distintas teorías científicas y su desarrollo. Y pensé que muchas veces se habla del método hipotético-deductivo, de la experimentación o de la formulación matemática, pero se da menos importancia a las teorías o a los modelos, a las ideas. Igual que Descartes transformó la idea de materia de la escolástica medieval, algo parecido hicieron en el siglo XX Einstein y Max Planck. Quizá ese mundo de ideas sea inseparable de la ciencia, como pensaba Platón.
    Un saludo.

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  7. Como ya habéis dicho, la circularidad, la perfección, domina el capítulo y eso hace más complicado comentar.
    Si añado que se acerca el final menos ganas tengo de hacerlo. No quiero.
    Por mucho que sigamos con otro libro me queda la duda de si disfrutaremos tanto.
    Gracias por compartir y por enseñarme.

    Tras desahogarme (mejor ya que en el último capítulo) comento lo que me ha gustado:
    Ese Moseley pasando lista a los alementos y poniendo falta a los 7 elementos rezagados y dejando a los científicos con solo 7 maravillas que descubrir.
    Ese Sol que se expande y contrae autoregulando la velocidad de fusión
    Ese Oliver justificando con energía de unión la elección de los metales preferidos, los mejores.

    Coincido con José Luis en que Sacks cierra un ciclo, llega a un nivel en el que ha conseguido saber lo que necesitaba y desde el que es muy complicado seguir avanzando.

    Me ha gustado la referencia a Pitágoras, esa especie de vuelta al inicio pero mirando desde arriba, como si ascendiésemos por una espiral y volviésemos a pasar por el mismo punto pero unos cuantos pisos de conocimiento más arriba. También el polvo de estrellas que también vuelven a pasar por situaciones parecidas, forma átomos cada vez más complejos en una estrella, puede tener la suerte de formar parte de una ser vivo y volver a empezar, con momentos espectaculares como la supernova.

    Y en eso andamos nosotros intentando reencarnarnos en otro libro para iniciar un nuevo viaje

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