Las Dimensiones de un Átomo

¡Todo está hecho de átomos! No importa a donde miren, ¡todo!, su sofá, su gato, el aire, su comida, todo está formado por una cantidad inconcebible de átomos. A su vez cada átomo está formado por un núcleo de protones y neutrones, y una nube de electrones a su alrededor. Son tan abundantes que en un solo centímetro cubico de aire (a nivel del mar y a 20°C) hay aproximadamente ¡52,000 trillones de átomos!

Es muy probable que algunas de estas cosas ya las supieran, son cosas han quedado muy enraizadas en la cultura popular. Sin embargo hay muchas cosas que nuestra cultura popular no sabe del átomo; cosas que son simplemente maravillosas, fascinantes, y que después de conocerlas, uno no vuelve a ver el mundo igual. Simplemente el saber de qué tamaño es el núcleo en comparación con el tamaño del átomo completo, es uno de los hechos que, (al menos a mí) más me han sorprendido del universo. En esta entrada les quiero hablar  un poco sobre todos esos pequeños hechos “mind-blowing” del átomo.

La estructura del átomo

Empecemos por olvidar la imagen clásica que tenemos del átomo, en la que vemos unos cuantos electrones dando vueltas al núcleo como si fueran pequeños planetas alrededor de una estrella. Esta imagen fue propuesta en por el físico japonés Hantaro Nagaoka en el año de 1904, época en la que el átomo todavía tenía guardados muchos de sus más fascinantes secretos. Visualmente se ve muy padre, y era una buena conjetura inteligente, pero actualmente sabemos que los átomos no son así.

Hoy en día, sabemos gracias a la mecánica cuántica que los electrones son muy diferentes a los planetas que orbitan estrellas. A veces se comportan como ondas y a veces como partículas, y nunca se puede saber con certeza donde están ni a qué velocidad se mueven. A esto último los físicos lo llamamos “principio de incertidumbre”.

Es por eso que una imagen más correcta del átomo sería imaginando a los electrones como si estuvieran en una nube borrosa, donde justamente no se podría decir con certeza donde están, ni a qué velocidad se mueven. La nube en sí es una zona de probabilidad que indica donde podemos encontrar más fácilmente el electrón.

Átomo de Helio. Noten como se ilustran a los electrones como una especie de nube.

El tamaño de un átomo

El diámetro de un átomo es aproximadamente de 10^-10 metros (el valor exacto varía entre los átomos de cada elemento, pero por ahora eso no nos va a interesar).  Esto es lo mismo que tendríamos si partiéramos un milímetro en diez millones de partes iguales. Es una escala de diminutez tan grande que supera fácilmente nuestra imaginación, pero podemos hacer el intento por compararlo con cosas más conocidas.

Por ejemplo, pensemos al átomo como si fuera del grosor de un cabello humano, es decir aproximadamente 0.1 mm.  ¿Qué cosa tiene la longitud de diez millones de cabellos apilados uno a uno? A pues muy fácil, diez millones de cabellos equivalen a un millón de milímetros, que a su vez equivalen a un kilómetro. Por lo tanto un átomo es a un milímetro, como un cabello humano es a un kilómetro (más o menos a una montaña decente) ¿Verdad que ya es más fácil de visualizar?

De aquí es fácil hacer más ejemplos, simplemente hay que mantener la diferencia en los órdenes de magnitud. Por ejemplo, un átomo es a un milímetro, como una moneda (centímetros, o cientos de cabellos humanos), es a un país o estado pequeño (cientos de kilómetros). Es decir, si ampliáramos los átomos de una goma de lápiz al tamaño de una moneda, la goma de lápiz cubriría fácilmente países pequeños como los de Europa.

Si se les ocurren otras comparaciones los invito a dejarlas en los comentarios.

El tamaño del núcleo

Seguimos con lo que a mí me parece lo más sorprendente del átomo: el tamaño de su núcleo. Ya nos dimos una idea de lo diminuto que es un solo átomo, así que ahora agárrense de algo para no caerse ya que ¡un núcleo es al átomo, como una canica es a un estadio!

Por si eso no los tiró del asiento todavía hay más. Como saben el núcleo está compuesto por protones y neutrones, mientras que los electrones rondan cerca de los límites del átomo, así que es natural que nos preguntemos ¿qué hay entre ellos? La respuesta básicamente es: ¡nada! Simplemente espacio vacío.

¡Qué no los engañen! El vaso está 99.99% vacío

Eso nos lleva a la siguiente pregunta ¿Si la materia está tan vacía, a qué se debe la solidez que experimentamos todos los días? La respuesta es: debido a las fuerzas electromagnéticas entre los átomos. Si acercan dos átomos, los electrones en las orillas de ambos se repelerán con la suficiente fuerza como para que nunca se toquen. Resulta increíble que esa solidez y continuidad que experimentamos todos los días en la materia es simplemente una ilusión.

Si no existieran cargas eléctricas podríamos atravesar paredes fácilmente (aunque claro, en primer lugar no podríamos existir). Cuando caminan en la calle, en realidad están levitando a una distancia de un angstrom sobre el suelo, gracias a que los electrones de sus pies se repelen con los electrones del suelo. Lo mismo ocurre cuando aplauden, se sientan, se rascan o lo que quieran. Simplemente asombroso.

Por ahora lo dejaré aquí, ya hablaremos en otra ocasión (yo, o alguien más) sobre otros misterios del átomo: ¿cuánto puede vivir un átomo? ¿Qué mantiene al átomo unido? ¿Qué es la fisión y fusión nuclear? ¿Cómo han sido los modelos atómicos? y más…

Para ver más:

– Bill Bryson. Una breve historia de casi todo. p 134.

– TEDEducation. Just how small is the atom – Jon Bergmann

https://www.youtube.com/watch?v=yQP4UJhNn0I

Imágenes

[1] Wikimedia commons. Helium Atom QM 

[2] Microservios Técnicamente hablando