Estructura de la materia y modelos atómicos en 2.º de secundaria

Para el docente: cómo explicarlo

Materiales con historia: lo que ya sabe la comunidad

Cada material se elige por sus propiedades: el adobe y los muros gruesos aíslan del calor; el barro cocido del comal resiste el fuego; las fibras de ixtle del maguey son resistentes y flexibles; la lana del sarape guarda el calor del cuerpo; la obsidiana, un vidrio volcánico, se rompe en filos muy cortantes. Esos saberes se transmiten de generación en generación y se pueden explicar con la física.

Un ejemplo notable es el hule. Desde hace más de 3000 años, en Mesoamérica se fabricaban pelotas mezclando el látex del árbol del hule con el jugo de una enredadera, que hacía el material más elástico y resistente: una tecnología de materiales que los estudios químicos confirmaron a finales del siglo XX.

De la idea de átomo al modelo de Dalton

En la Grecia antigua, Leucipo y Demócrito imaginaron que la materia no se podía dividir sin fin y llamaron átomos a sus partes más pequeñas, pero era una idea filosófica, sin experimentos. A principios del siglo XIX, John Dalton la convirtió en una teoría científica para explicar un hecho medido: los elementos se combinan siempre en proporciones fijas para formar compuestos.

Su modelo imaginaba el átomo como una esfera maciza e indivisible, distinta para cada elemento. Explicaba muy bien las proporciones de las reacciones, pero no podía explicar la electricidad que aparece al frotar materiales ni la que circula por algunos gases.

Thomson, Rutherford y Bohr: el átomo se abre

En 1897, J. J. Thomson estudió los rayos que salen de un electrodo en un tubo con gas a baja presión y descubrió el electrón, una partícula con carga negativa mucho más ligera que el átomo. Unos años después, en 1904, propuso una esfera de carga positiva con los electrones incrustados, como pasas en un pan.

Hacia 1911, Ernest Rutherford interpretó un experimento en el que se lanzaban partículas con carga positiva contra una lámina de oro muy delgada: casi todas la atravesaban, pero unas pocas rebotaban. Concluyó que el átomo es casi todo espacio vacío y que su carga positiva se concentra en un núcleo diminuto. En 1913, Niels Bohr explicó por qué cada gas emite luz de colores definidos: los electrones solo pueden estar en ciertos niveles de energía y, al bajar de uno a otro, emiten luz.

Después se descubrió el neutrón (James Chadwick, 1932) y, desde los años veinte, el modelo cuántico describe los electrones como nubes de probabilidad (orbitales) más que como bolitas en órbitas. Cada modelo no «borra» al anterior: lo mejora para explicar más fenómenos.

El modelo de partículas

Para muchos fenómenos no hace falta entrar en el átomo: basta el modelo de partículas, que dice que toda la materia está formada por partículas muy pequeñas, en movimiento continuo, con espacio vacío entre ellas y que se atraen entre sí. Con esas cuatro ideas se explica que el olor de un perfume llegue a todo el salón, que un gas se pueda comprimir en una jeringa o que un globo se infle al calentarse.

Un error frecuente es pensar que al calentar las partículas «se hacen más grandes»: lo que pasa es que se mueven más y se separan más entre sí.

Lo más reciente: una ciencia en construcción

Hoy se sabe que protones y neutrones están formados por partículas más pequeñas, los quarks, propuestos en 1964 y detectados en experimentos poco después. En 2012, el CERN, el gran laboratorio europeo de física de partículas, confirmó la existencia del bosón de Higgs, relacionado con el origen de la masa de las partículas. Con el microscopio de efecto túnel, inventado en 1981, se obtienen imágenes de átomos individuales, y en 2004 se aisló el grafeno, una lámina de carbono de un solo átomo de grosor.

Investigadoras e investigadores de universidades mexicanas participan en algunos de esos experimentos internacionales. Es una buena manera de mostrar al grupo que la física de la materia sigue abierta y que hay preguntas sin respuesta, como de qué está hecha la materia oscura.

Cómo llevarlo al salón

Empieza con una caja cerrada que tenga un objeto dentro: el grupo lo inclina, lo agita y escucha, y propone un modelo de lo que hay sin abrirla. Es exactamente lo que hicieron Thomson y Rutherford. Después construyan los modelos con plastilina, cartón o semillas y ordénenlos en una línea del tiempo con el fenómeno que explicó cada uno.