A comienzos de 1800 el químico inglés John Dalton había dado a conocer su teoría atómica con el fin de dar explicación a las combinaciones químicas. La estructura general de esta teoría seguía siendo aceptada hacia fines del Siglo XIX, pero las nuevas experiencias llevarían a los científicos a concluir que el átomo no podía ser una partícula indivisible, tal como lo propusiera Dalton.
En tal sentido, era evidente que los rayos de Becquerel eran algo nuevo, ra- dicalmente diferentes de otras emisiones estudiadas por físicos y químicos; esta radiación, aunque él no lo sabía aún, provenía del corazón de la materia. Poco tiempo después, Madame Curie la llamaría radiactividad5.
El uranio ocupaba entonces un lugar hacia el extremo final de la Tabla y Ma- dame Curie (cuyo nombre era Marie Slodowska), de origen polaco, encontró in- teresante continuar investigando este tipo de radiación como parte de su trabajo de tesis doctoral apoyada por su esposo. Marie se había establecido en París ha- cía algunos años y allí se casó en 1895 con Pierre Curie, quien se desempeñaba como profesor de Física de la Escuela Municipal de Física y Química Industriales de París. Después de un arduo trabajo con minerales que contienen uranio para intentar obtener mayor concentración de estos átomos, las investigaciones de los esposos Curie los llevaron a comunicar en 1898 el descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos: al primero lo llamaron polonio, en honor a la tierra natal de María, y el otro recibió el nombre de radio. Pierre y Marie Curie6 compartieron
poco después con Henri Becquerel el Premio Nobel de Física en 1903 por estos descubrimientos.
Los estudios sobre la radiactividad, propiedad de emitir ciertas radiaciones que manifestaban tener algunos átomos naturales, resultaban un fascinante cam- po de investigación para los científicos. ¿Cuáles son las características de estas radiaciones invisibles al ojo humano?, ¿cuál es su origen?
Estos desafíos fueron asumidos por Ernest Rutherford en un centro de inves- tigación distante de Francia. Aunque este científico había nacido y estudiado en Nueva Zelandia, sus estudios le habían valido para obtener una beca de trabajo en la Universidad de Cambridge, en el famoso Laboratorio Cavendish y allí comenzó
5 El término radiactividad hace referencia a la actividad (emitir radiación) que posee el radio.
6 Marie recibió un segundo Nobel en 1910, esta vez en Química, siendo la primera persona en recibir dos veces este galardón.
en 1895 sus investigaciones como asistente del profesor Joseph John Thomson7,
director del citado Laboratorio. Las experiencias realizadas por Thomson con tu- bos de descarga lo llevaron a sacar conclusiones en favor de una de las posturas que discutían los científicos entonces. En sus propias palabras pronunciadas al recibir el Nobel (Thomson 1906), confiere la razón a los físicos ingleses quienes aseguraban que los rayos catódicos están constituidos por corpúsculos de carga negativa8, en oposición a la postura de los físicos alemanes que proponían expli-
carlos como vibraciones del éter9.
Como vemos, las investigaciones que tendían a identificar la naturaleza de los rayos catódicos se enmarcaban en la misma discusión que mantenían los científicos respecto de la luz: ¿es de naturaleza ondulatoria o está formada por partículas? Sin embargo, las consecuencias inmediatas de los resultados obteni- dos repercutieron en el modelo que en ese entonces se proponía para el átomo.
Como consecuencia de sus experiencias, Thomson identifica las pequeñas partículas cargadas con electricidad negativa que llama corpúsculos, y que pos- teriormente se conocen como electrones. Determina, además, que estas partí- culas poseen una masa que equivale aproximadamente a 1/1000 veces la masa atómica del hidrógeno, el átomo más liviano conocido. Thomson sugiere que si estos corpúsculos son parte constitutiva de la materia, lo son en forma combina- da con las correspondientes cargas positivas, dando así fin a la concepción del “a” “tomo” indivisible.
Surge entonces, en 1904, una teoría sobre la estructura atómica que intenta explicar la existencia de las pequeñas partículas de carga negativa recientemente caracterizadas y que pueden ser extraídas de la materia. Thomson afirma que el átomo es una esfera de carga eléctrica positiva que aloja corpúsculos de carga negativa.
El modelo que propone, conocido como “budín de pasas” (del inglés plum pudding), permite explicar de qué manera la materia neutra puede contener par- tículas negativas. Sólo sería posible si éstas encuentran compensada su carga al
7 Premio Nobel de Física en 1906.
8 “Two views were prevalent: one, which was chiefly supported by English physicists, was that the rays are negatively electrified bodies shot off from the cathode with great velocity;the other view, which was held by the great majority of German physicists, was that the rays are some kind of ethereal vibration or waves”. Thomson, J. Nobel Lecture, December 11, 1906.
9 En el capítulo 2 de este libro se puede leer con mayor detalle acerca del éter y la controversia onda- partícula.
alojarse (como las pasas de uva en un budín inglés) en una masa de carga positi- va. Además, aceptar este hecho es necesario para comprender que los electrones podrían ser arrancados del átomo si la energía puesta en juego fuera suficiente, tal como sucedía en los tubos de descarga. La capacidad explicativa del modelo permite finalmente asumir que los rayos catódicos no son más que un flujo de electrones provenientes del cátodo. Este primer modelo acerca de la composición interna del átomo permitió comenzar a recorrer el camino de las partículas suba- tómicas y por tal motivo adquiere gran importancia y marca un hito que compar- ten las ciencias físicas y químicas.
Pese al valor que le es atribuido al modelo atómico propuesto por Thomson, nuevos datos provenientes de otras experiencias harían que pronto fuera sus- tituido por nuevos modelos que intentarían entender la naturaleza del átomo y que serían capaces de explicar hechos que el “budín de pasas” no explicaba. Para lograrlo, veremos que hubo que modificar en parte el modelo de Thomson. De acuerdo con esta visión lakatosiana de la historia de las ciencias se deja de lado al átomo concebido como una esfera de masa uniforme, pero se mantienen los supuestos básicos que constituyen el núcleo duro inicial del programa. Es decir, se lo concibe como la menor partícula de cada elemento, con la característica de ser eléctricamente neutro, y se admite que posee partículas con carga negativa en estructura (Uribe y Cuéllar 2003). Sin embargo, hizo falta reformular la distri- bución de las partículas subatómicas en el mismo cuando el cinturón protector no pudo resistir los resultados que se obtuvieron de manera experimental.
En ese entonces, Rutherford10, quien ya había completado su formación bajo
la dirección de Thomson en Cavendish, es contratado como profesor de Física de la Universidad McGill de Montreal, Canadá. Allí, comienza a investigar la ca- pacidad de penetración de las emisiones que parten de elementos radiactivos de manera espontánea, para tratar de caracterizarlas. De esta forma demuestra que existen dos tipos de radiaciones nucleares que poseen propiedades muy di- ferentes: los denomina rayos Alfa y rayos Beta. Años más tarde, se identificará un tercer tipo de radiaciones, los rayos Gamma. A modo de resumen podemos sintetizarlas características de las emisiones nucleares en el cuadro 3.1.
Cuadro 3.1 Características de las emisiones provenientes de material radiactivo
Nombre Carga eléctrica Corpuscular o
electromagnética EnergíaCapacidad de penetración
Alfa Positiva Corpuscular
Alta masa
Baja
La detiene una hoja de papel
Beta Negativa Corpuscular
Masa baja AltaLa detiene una lámina de 1 cm de espesor
Gamma No tienen Electromagnética Muy alta
La detiene una pared de concreto o una lámina de plomo.
Fuente: Elaborado por la autora en base a datos de Brandan y otros (1998)
Modelos y más modelos
En numerosos textos se hace referencia a la sucesión de teorías del átomo que se produce en este relativamente corto período de las historia de la ciencia, aunque no siempre lo hacen bajo la óptica de programas de investigación que imponen sus teorías en función de su capacidad de explicar y predecir. La ma- yoría de los libros se limita a un enfoque tradicional respecto de la evolución del conocimiento científico sobre el tema, visión bajo la cual se considera que los datos experimentales recogidos mediante una investigación científica alcanzan para elaborar conocimiento científico válido. De esta manera la ciencia se concibe como un proceso acumulativo y lineal.
Una visión más contemporánea acerca de cómo se produce el conocimiento nos lleva a entender que los resultados experimentales permiten a los científicos proponer hipótesis y concebir modelos explicativos dentro de un programa de investigación en crecimiento y de esta manera predecir hechos que son teórica- mente desconocidos así como planificar nuevos experimentos. Bajo esta mirada, la ciencia se desarrolla a partir de puntos de vista conflictivos y a través del carác- ter provisorio de sus teorías. Y es gracias a esta postura que podemos entender que dos científicos pueden tener diferentes lecturas de los datos recogidos en cierto experimento si los interpretan a la luz del programa de investigación en el cual se desempeñan y cuyo cinturón protector intenta mantener estable el núcleo
duro del mismo. Sigamos recorriendo la historia de los modelos atómicos sin per- der de vista estas premisas.