¿Qué forma tiene un átomo?

Seguramente tienes una imagen del átomo un tanto clásica e icónica, lo has estudiado en clase, lo has visto dibujado en una infinidad de sitios y hasta se usa como logo corporativo de muchas empresas, vamos, es como una señal de tráfico, lo ves y sabes que es un átomo, aunque realmente nunca viste uno, pues estás completamente equivocado, esa imagen solo es una forma icónica consensuada para representarla y que la gente lo interprete fácilmente.

Primero hagamos un poco de historia. El primer modelo atómico fue desarrollado por John Dalton, descubridor del daltonismo, en el que explicaba que toda la materia está compuesta por partículas extremadamente pequeñas e indivisibles llamadas átomos. Los átomos de un mismo elemento son idénticos en masa y propiedades. No explicaba qué forma tenían pero sentó las bases para entender la composición y las propiedades de la materia. Sus ideas permitieron explicar una amplia variedad de fenómenos químicos y sentaron las bases para el desarrollo de la tabla periódica de los elementos.

El primer modelo que explicó la forma de los átomos fue desarrollado por Joseph John Thomson, descubridor del electrón, y consistía en una masa de carga positiva con pequeñas partículas de carga negativa uniformemente distribuidas, algo parecido a un muffin de carga positiva con pepitas de carga negativa.

En 1909, los experimentos de Ernest Rutherford demostraron que ese modelo de J.J. Thomson tenía errores. Estos consistieron en lanzar partículas alfa, es decir, núcleos de helio, contra una fina lámina de oro. Se sorprendió al comprobar que la mayor parte de las partículas atravesaban la lámina como si nada y unas pocas rebotaban frontalmente. Como conclusión surge el modelo de Rutherford. Si las partículas alfa atraviesan el oro es porque los átomos tienen que tener mucho espacio vacío. Y si algunas rebotan frontalmente, pocas, es porque deben estar chocando con esa parte del átomo que lleva la carga positiva, el núcleo, que ha de ser comparativamente pequeño, descubriendo así el núcleo del átomo.

Así es el nuevo modelo, un átomo lleno de espacio vacío y con un núcleo de carga positiva muy masivo, con los electrones orbitando alrededor, casi como un sistema planetario. Para que os deis cuenta más o menos de la escala, si tuviéramos un átomo con el tamaño de un campo de fútbol, el núcleo sería como un grano de arroz en el centro y los electrones girarían alrededor por las gradas.

La imagen de este modelo es la que mucha gente tiene en mente al pensar en el átomo, como un símil de las leyes planetarias y los electrones, como planetas, giran alrededor del núcleo como si este fuera el Sol. Esta, aparte de una imagen errónea, es un planteamiento falso. La ley de Coulomb de la fuerza eléctrica y la fuerza de gravedad no podrían ser más diferentes, aparte de que manejan magnitudes muy diferentes. La fuerza de gravedad solo es de atracción, mientras que las fuerzas eléctricas tienen dos cargas y, por tanto, además de atracción también tienen de repulsión.

Más tarde llegaría el modelo atómico de Niels Bohr, el primero en introducir una cuantización, donde se afirma que los electrones no caen al protón porque se mueven en órbitas cuantizadas en las que no pierden energía usando el momento angular. La llegada de la formulación ondulatoria de la mecánica cuántica por Schrödinger encontró una explicación a esta cuantización de los niveles de energía. El electrón, como onda, solo puede existir en niveles de energía tales que la onda encaje, justo lo que proponía Bohr. En el modelo cuántico, los electrones no siguen una trayectoria exacta como planetas alrededor del sol, sino que forman nubes de probabilidad alrededor del núcleo. Estas nubes, llamadas orbitales, indican los lugares más probables de encontrar un electrón. A medida que nos alejamos del núcleo, los orbitales se hacen más grandes y tienen más energía.

¿Y qué ocurre en el núcleo del átomo? El núcleo atómico también presenta una estructura compleja. En su interior encontramos protones, partículas con carga eléctrica positiva y una masa aproximadamente 2000 veces mayor que la de los electrones. Junto a ellos, coexisten los neutrones, partículas sin carga eléctrica pero con una masa similar a la de los protones. Tanto protones como neutrones son hadrones, partículas compuestas por quarks y gluones, y por tanto, su comportamiento está regido por las leyes de la mecánica cuántica, lo que implica una naturaleza probabilística.

En el núcleo atómico, neutrones y protones se encuentran unidos por la fuerza nuclear fuerte, mediada por partículas llamadas piones. Esta fuerza es fundamental para la estabilidad nuclear, ya que supera la repulsión electromagnética entre los protones. La presencia de neutrones aporta energía de enlace adicional, contribuyendo a la cohesión del núcleo y evitando su desintegración.

El modelo de Bohr también seria anulado por Werner Heisenberg, uno de sus estudiantes. En 1927, Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, el cual establece que la posición y el momento lineal de una partícula no pueden ser determinados con precisión arbitraria de manera simultánea. Esta limitación fundamental en la precisión de las mediciones cuánticas se deriva de la naturaleza ondulatoria de las partículas. El modelo de Bohr, con sus órbitas circulares bien definidas, quedó obsoleto con el nuevo modelo atómico. Este último describe la posición de los electrones de manera probabilística. Un electrón puede encontrarse a cualquier distancia del núcleo, pero es más probable hallarlo en ciertas regiones, llamadas orbitales atómicos, dependiendo de su nivel de energía.

Con este recorrido podemos dar una imagen de cómo se cree que es la forma de un átomo, bastante alejada de lo que la mayoría pensaba. Eso sí, esto no es algo definitivo y con la interpretación de la física cuántica todo puede variar. El modelo actual del átomo que describe los electrones como una nube de probabilidad alrededor del núcleo podría variar mucho aún hasta con dar con la forma real de los átomos. De todas maneras, la forma icónica, aún inexacta, tampoco es que sea fea, ¿no creen?