martes, 12 de agosto de 2014

¿Te ves gordo? No te preocupes. En realidad tu cuerpo es prácticamente un 100%... vacío



En el pasado post nos adentramos en la fascinante relación que tenemos con las estrellas. Hoy nos sumergiremos en el interior más íntimo de la materia, en los constituyentes fundamentales de toda la materia con masa observable, incluidos tú y yo: los átomos.

La observación directa de la naturaleza que todos nosotros realizamos, la hacemos bajo una condición muy especial.  Al observar directamente las cosas, toda la materia, no nos queda más remedio que hacerlo bajo la condición del espacio inherente a nosotros: la escala humana. ¿Quiere decir esto que cuando  observamos, por poner un ejemplo, una manzana, es tal y como la vemos? Bueno, para toda nuestra especie una manzana es tal y como la estás ahora imaginando, pero esto no quiere decir que la manzana sea así realmente de una manera absoluta, sino que es así bajo nuestra perspectiva de humanos, bajo la escala humana. Podríamos decir que la realidad de la manzana es relativa. 

Imaginemos que fuésemos del tamaño de una hormiga. ¿Veríamos ahora a la manzana de la misma manera? Claramente, la respuesta es no. Lo que antes nos parecía una superficie casi lisa ahora nos parecería mucho más rugosa. Seríamos capaces de ver detalles que antes no veíamos. Pero a pesar de estos cambios, a éstas escalas, el mundo tal y como lo conocemos no sería radicalmente diferente, en el sentido de que los efectos de las leyes naturales por las que nos regimos no cambiarían radicalmente a esas escalas.


¿Y si fuésemos capaces de reducir nuestro tamaño mucho más? ¿Qué pasaría si redujésemos nuestro tamaño diez mil millones de veces? Cuesta trabajo ser consciente de lo que significa una cifra de reducción tan elevada. Imagina que tenemos un milímetro y lo dividimos en cien partes. Ahora cogemos una de esas diminutas partes y la volvemos a dividir en cien partes más. Ya solamente nos queda un paso, pero aún más potente: cogemos una de esas minúsculas partes y la dividimos ahora en mil partes más. En una de estas diminutísimas mil últimas partes, el mundo no se parecería a nada conocido, y los efectos de las leyes naturales por las que se rige, tampoco. Entraríamos en el campo de la física cuántica, un fascinante mundo donde los acontecimientos naturales desafían por completo nuestra percepción de la realidad y nuestro sentido común. A estas escalas, de ångström,             10-10 m, entraríamos en el mundo de los átomos.


Los átomos son los constituyentes básicos de toda la materia ordinaria. Éstos, a su vez, están formados por las siguientes partículas:

- Unas partículas con carga positiva, los protones, y otras sin carga, los neutrones, formando el núcleo atómico. A su vez, protones y neutrones, como si de un juego de muñecas rusas se tratase, están formados por partículas más pequeñas. Pero nosotros nos quedaremos en este nivel.

- Y otras partículas con carga negativa, los electrones, alrededor del núcleo.

En los átomos neutros el número de electrones es igual al número de protones. De esta manera las cargas positivas compensan a las negativas.

Átomo con 3 protones, 3 neutrones y 3 electrones. En el mundo atómico y subatómico la realidad no tiene nada que ver con la que observamos a nuestra escala, por lo que hacer una representación como ésta de los átomos no tiene sentido. Aun así, por labores didácticas, recurrimos a esta imagen de los mismos.

Dependiendo del número de protones de un átomo, al que denominamos número atómico, se dan los diferentes elementos químicos. Así, el átomo con un solo protón es el Hidrógeno, con dos protones, el Helio, con tres el Litio... y así sucesivamente hasta completar todos los elementos químicos conocidos y recogidos en la tabla periódica.

Tabla periódica con Nº atómico (nº de protones) de los elementos

Como toda la materia con masa está hecha de átomos, y éstos a su vez de otras tres partículas (protones, neutrones y electrones), al final, tanto tú, como yo, como una mota de polvo, como un árbol, como un compuesto químico sintetizado en un laboratorio o como una piedra de un remoto planeta (¡todo es química!), estamos formados por las mismas tres partículas. Únicamente con tres partículas se forma toda la increíble variedad de materia másica ordinaria del Universo. La clave en la gran diversidad de la materia existente está en la infinidad de posibles combinaciones químicas entre los átomos para formar compuestos químicos y en las mezclas de éstos.

Los electrones se organizan en un átomo situándose en diferentes niveles de energía, lo que denominamos orbitales atómicos (regiones del espacio donde hay una mayor probabilidad de encontrar a los electrones). Así, los niveles de menor energía se sitúan más cerca del núcleo y por regla general, cuanto más energético es el orbital, más alejado está del núcleo. Lo podríamos imaginar como una plaza de toros en cuyo centro está situado el núcleo y con los electrones repartidos en las diferentes gradas. Cada una de las gradas representaría un orbital atómico y conforme vamos subiendo en las gradas, iríamos pasando a orbitales con un mayor nivel de energía. Además, cada grada de la plaza tiene un número de asientos concreto, esto es, en cada orbital se pueden acomodar un cierto número de electrones, sin poder nunca superar ese número. Recordemos que el número de electrones de un átomo es igual al número de protones. Pues bien, los electrones se irían acomodando de la siguiente manera: primero llenarían los asientos de la primera grada (el primer orbital, de menor energía). Una vez llenos, si hay más electrones, se situarían en la siguiente grada (en el segundo orbital, de mayor energía) hasta completarla, y así sucesivamente hasta que se acomodasen todos los electrones.

De esta manera, podríamos considerar el tamaño de un átomo, como la distancia desde el núcleo hasta el último orbital (la grada más alta) en el que hay electrones.

Imaginemos ahora que tuviésemos un aparato capaz de aumentar el tamaño de las cosas tanto como quisiésemos. Pensemos en el átomo más sencillo: el átomo de Hidrógeno. Como hemos dicho, este átomo está formado por un protón en el núcleo y un electrón situado en el primer orbital.  Por tanto, el tamaño del átomo vendría dado por la distancia entre el protón y el electrón.

Apliquemos nuestra "máquina agigantadora" al átomo de Hidrógeno. Vamos a aumentar su tamaño hasta conseguir que su núcleo (el protón) sea del orden de un metro. Es un aumento verdaderamente inmenso, pues ya hemos visto el minúsculo tamaño de los átomos. Una vez realizado el aumento, ¿a qué distancia del núcleo encontraríamos al electrón? Pues bien, a esta escala, para encontrar al electrón tendríamos que recorrer nada más y nada menos que alrededor de ¡50 km!

Además de esto, como la masa de un protón es 1800 veces superior a la del electrón, casi la totalidad de la masa de un átomo está concentrada en su núcleo.

¿Y qué hay entre el protón y el electrón? Nada material, vacío. 50 km de viaje a través del vacío para escapar del átomo a partir de un punto en el que se encuentra concentrada casi la totalidad de la masa.  


Protón y electrón en el átomo de Hidrógeno

Siguiendo con nuestra analogía, si el átomo fuese del tamaño de una plaza de toros, el núcleo estaría situado en el centro del mismo y tendría un tamaño de una cabeza de alfiler; y los electrones se encontrarían en las gradas y serían del tamaño de una mota de polvo. Así es, en realidad la materia está prácticamente vacía, hueca.  

Esto parece contradecir a nuestros sentidos. Si casi la totalidad de la materia es vacío... ¿cómo es que un objeto sólido no puede introducirse en otro?

Lo veremos con un ejemplo: si tocas con tu mano cualquier superficie sólida, por ejemplo la superficie de una mesa, nuestros sentidos te dirán que estás en contacto con esa superficie. Por otro lado, evidentemente, tu mano no atravesará la mesa. Esto, que parece tan obvio, choca con el hecho de que la materia esté prácticamente vacía, ya que siendo esto así ¿por qué el espacio vacío de los átomos de mi mano no ocupa el espacio vacío de los átomos de la superficie con la que estoy en contacto?

Cuando dos grupos de átomos de diferentes objetos se acercan, mientras no se produzcan reacciones químicas, las nubes de electrones de las últimas capas se repelen ya que tienen la misma carga (negativa). Así pues, los átomos de tu mano no llegan a estar en contacto material con los de la superficie de la mesa debido a la fuerza de repulsión que aparece como consecuencia de las nubes de electrones. Y esta fuerza es precisamente lo que te provoca la sensación de estar tocando algo. En realidad, por mucho que hagas presión con tu mano en la superficie, nunca llegas a tocar la misma. Si la presión que ejerces sobre la superficie fuese lo suficientemente grande, por ejemplo, golpeando la mesa con todas tus fuerzas, podrías llegar a partir la mesa en dos partes. Aún así no habrías tocado realmente a la mesa, lo que habría pasado es que habrías acercado tanto los átomos, que la fuerza de repulsión sería de tal magnitud que provocaría la rotura de enlaces entre átomos de la superficie de la mesa.

Del mismo modo, cuando estás sentado en una silla, literalmente estás flotando sobre ella, como también podemos decir que estás flotando sobre el suelo cuando caminas... ¿no es increíble?



La próxima vez que observes cualquier objeto material, piensa por un momento en su constitución más íntima, sumérgete mentalmente en su estructura más profunda, piensa en la verdadera naturaleza de la materia de la que está hecho, en el viaje que deberías recorrer en el mundo subatómico para encontrarte con un minúsculo núcleo, y si tienes muchísima suerte, con los más minúsculos todavía electrones; y recuerda que la mayor parte del mismo no es nada material, es sólo vacío.


Dicho lo cual, y haciendo referencia al título (bastante sensacionalista) del post, si te ves muy gordo, cuídate un poco e intenta seguir una dieta sana. Dejando al margen otros motivos, al fin y al cabo, no son partículas subatómicas las que te van mirar, para ellas casi todo sería vacío, sino personas humanas bajo su percepción en la escala humana. ;-)




Esta entrada participa en el 
XXXVIII Carnaval de la Química alojado en el blog Pero eso es otra historia...

4 comentarios:

  1. ¡Fantástica aportación! Para un nivel divulgativo de gente que no conoce apenas la química, ¡es brutal! Has explotado al máximo el potencial del "vacío" del átomo, me ha encantado :) gracias por participar en el Carnaval!

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    1. Muchas gracias Dolores! Esa era mi intención. ;-)

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  2. Magnífico artículo. Claro, sugerente, riguroso... ¡Enhorabuena!

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