Descubrimiento del átomo – Sciences et Avenir

Artículo de la revista Sciences et Avenir – Les Indispensables n ° 206, de julio / septiembre de 2021.

Para el físico contemporáneo, el átomo más pequeño es un mundo complejo, donde se percibe un núcleo poblado por protones y neutrones, ellos mismos formados por quarks, rodeado por un escuadrón de electrones – perdón, “nubes de probabilidad de presencia” de electrones. En resumen, exactamente lo contrario de lo que implica la etimología de la palabra átomo, del griego ατομος (átomos), que significa “ininterrumpido”. Porque eso es lo que inicialmente significa esta palabra acuñada por los antiguos griegos: que es la partícula de materia más pequeña concebible. los Sutra Vaisheshika, texto fundador de la Escuela de Filosofía de la India Astik, probablemente escrito alrededor del siglo V aC, dice sobre esto. Sin embargo, desde la antigüedad, las cosas han cambiado mucho. Y muchas veces. “El átomo se ha reinventado en todas las épocas”, resume Bernadette Bensaude-Vincent, filósofa e historiadora de la ciencia y la tecnología. Al filósofo Demócrito de Abdère (460-370 a. C.) se le atribuye generalmente la autoría del atomismo griego, aunque algunos autores se refieren a su maestro, Leucipo, como su verdadero iniciador. “El trabajo de Demócrito es considerable, pero casi no queda nada, notas del historiador. Es más conocido por sus críticas a Aristóteles (384-322 a. C.). Mientras Demócrito relaciona toda la variedad de cuerpos materiales con una sola materia homogénea, compuesta de pequeñas unidades indivisibles ordenadas de diversas formas: átomos, Aristóteles defiende una teoría derivada de la doctrina de Empédocles (490-430 a. C.). Elementos: tierra, aire, agua, fuego, cuya mezcla produce la variedad de cuerpos observados. “

El átomo, por tanto, no agrada a todo el mundo … Durante más de veinte siglos, dominará la visión aristotélica de la naturaleza y la materia, y se silenciará el atomismo. No reaparecerá en Europa hasta el siglo XVII. “Específicamente, especifica Bernadette Bensaude-Vincent, fue redescubierto por el matemático francés Pierre Gassendi (1592-1655). Para él, toda la realidad material está hecha de vacío y átomos. Además, el átomo inspira teorías mecanicistas, apoyadas en particular por Descartes (1596-1650), que se basan en la idea de que solo hay materia y movimiento. los Sin embargo, el filósofo francés no es un atomista. “ Para él, en cierto modo, el espacio está lleno. “Una acalorada discusión entre Gassendi y Descartes sobre el vacío quedó en los anales. En cuanto a Newton, es un atomista, incluso si se interpone en su camino. Trabajando entre ellos”.

Sodio, Potasio, Calcio … La batería Volta ayuda a identificar nuevos elementos

Un hecho importante ocurrió en 1800. En ese año, el físico y químico italiano Alessandro Volta (1745-1827) inventó la batería que lleva su nombre. Esta batería Volta lanza una nueva disciplina, la electroquímica, que identificará muchos elementos nuevos. El físico y químico británico Humphry Davy (1778-1829) descubrió el sodio y el potasio en 1807, así como el calcio, el magnesio y el bario al año siguiente. A principios del siglo XIX se cumplieron las condiciones para la propuesta de la primera teoría científica atómica, con base experimental. Fue el químico y físico británico John Dalton (1766-1844) quien lo formuló en 1803. En su modelo, el átomo es la unidad mínima de combinación química y todos los átomos del mismo elemento son idénticos. “Dalton se basa particularmente en el trabajo de Lavoisier”, indica Olivier Darrigol, historiador de la ciencia de la Universidad de París. Lavoisier formuló la ley de conservación de la masa: en una reacción química, la masa total de los productos es igual a la de los reactivos. También utiliza el trabajo de otro químico francés, Joseph Louis Proust (1754-1826), quien formuló en 1799 la “ley de las proporciones definidas”: cuando descomponemos una sustancia química, las proporciones de masa entre los constituyentes no varían. “Dalton publica la primera lista de masas atómicas de varias sustancias, añade Olivier Darrigol, tomando como hidrógeno de referencia, al que asigna una masa de 1 por convención. “

A lo largo del siglo XIX, el átomo, en la encrucijada de la física y la química, todavía se considera una unidad indivisible. El siglo XX acabará con esto. “El año 1897 marca un punto de inflexión fundamental, con el descubrimiento del electrón por parte del físico británico Joseph John Thomson (1856-1940)”, recuerda a Bernadette Bensaude-Vincent. Requisito previo para este descubrimiento: la invención, en 1878, del tubo de rayos catódicos por el británico William Crookes (1832-1919). Tubo de vidrio al vacío, en el que, entre dos electrodos sometidos a alto voltaje, se provoca la emisión de “rayos catódicos” invisibles, pero que generan fluorescencia al chocar con el vidrio. Thomson muestra que un haz de cátodo es desviado por un campo eléctrico creado por dos placas colocadas cara a cara en su camino. Más precisamente, es atraído por la placa cargada positivamente: el físico deduce de esto que este rayo consiste en partículas cargadas negativamente. También descubre que un campo magnético también puede desviar el rayo, una observación que le permite determinar la relación masa-carga de estas partículas. Su masa es mucho menor que la de todos los átomos conocidos, aproximadamente 1/2000 de la del hidrógeno (hoy se estima en 1/1836).. Deduce que está formado por partículas “subatómicas”, cargadas negativamente, que se encuentran en todos los átomos: los electrones. El modelo atómico propuesto por Thomson en 1904 a menudo se conoce como la fórmula “pudín de ciruela”: el átomo se ve como una torta cuya masa está cargada positivamente y en la que flotan electrones (ciruela : ciruela en inglés) negativo.

El padre del electrón. Fue al estudiar los rayos catódicos que Joseph John Thomson descubrió estas partículas cargadas negativamente. Crédito: OXFORD SCIENCE ARCHIVE / PATRIMONIO DE IMÁGENES / COLL. CRISTÓFEL

“Es una revolución silenciosa, cree Bernadette Bensaude-Vincent. ¡El átomo es realmente frágil! ” Muy rápidamente, el físico francés Jean Perrin (1870-1942) notó “un pequeño mundo hirviente para explorar”. Es a Ernest Rutherford (1871-1937), el padre de la física nuclear, a quien debemos el siguiente paso. El físico británico descubrió que el uranio emite dos tipos distintos de radiación, a los que llama alfa y beta: por un lado, partículas pesadas con carga positiva (núcleos de helio) y, por otro lado, partículas más ligeras con carga negativa (electrones). ).). Diseña un experimento que le permite postular la existencia de un “núcleo atómico”. El dispositivo es simple en principio. Un haz de radiación alfa procedente de una muestra de radio encerrada en una caja de plomo perforada por un orificio se dirige a una fina hoja de oro alrededor de la cual se coloca una pantalla circular detectora. Rutherford observa que la mayor parte de la viga cruza la hoja de oro en línea recta o casi. Pero también que una fracción de la radiación se desvía seriamente. ¡Es difícil explicar estos resultados adhiriéndose al modelo de “pudín de ciruela”! Rutherford cree que la carga positiva de los átomos debe estar concentrada en su centro: lo que explicaría por qué la mayoría de las partículas alfa cargadas positivamente cruzan la hoja de oro sin obstáculos, mientras que algunas, mucho más pequeñas, se desvían. En 1911 propuso su modelo “nuclear”: según él, el átomo está formado por un núcleo diminuto alrededor del cual orbitan los electrones, un poco como los planetas alrededor del Sol.

Después del descubrimiento del protón en 1919, continúa el “desmantelamiento” del átomo.

Sobre todo, el átomo de Rutherford está … lleno de vacío. Menos de dos años después, el físico danés Niels Bohr (1885-1962) le hizo dar sus primeros pasos hacia la … era cuántica. En su modelo, los electrones realmente giran alrededor del núcleo en ciertas órbitas, correspondientes a “niveles de energía”: los electrones rebotan de uno a otro, absorbiendo o emitiendo energía. Pero ya está surgiendo una nueva mecánica del átomo, llamada cuántica u onda. Publicadas en los años 1925-1926, las teorías de Werner Heisenberg (1901-1976) y Erwin Schrödinger (1887-1961) ya no rotan electrones alrededor del núcleo. “Las órbitas electrónicas están desapareciendo a favor de una noción mucho más abstracta de nubes de probabilidad para la presencia de electrones”. explica Olivier Darrigol. ¡Es difícil para la gente común imaginar el átomo de ahora en adelante!

Después del descubrimiento del protón en 1919 por Rutherford, el desmantelamiento del átomo continuó: su asistente, James Chadwick, descubrió el neutrón en 1932. Un bestiario completo de partículas fue sacado a la luz gradualmente: neutrino, positrón, leptón µ, mesón, peón … Finalmente, las partes individuales del átomo son a su vez diseccionadas. En 1964, el físico estadounidense Murray Gell-Mann (1929-2019) postuló la existencia de quarks, constituyentes de protones y neutrones, lo que fue confirmado en 1969 por su compatriota Richard Feynman (1918-1988). Hoy en día, el átomo parece estar casi a nuestro alcance. Porque literalmente podemos “verlo” desde la invención de los microscopios de efecto túnel (1981) y la fuerza atómica (1985) … e incluso manipularlo. ¡Definitivamente ha cambiado! Veinticinco siglos después de la intuición griega, la ciencia lo rompió en mil pedazos, lo encerró en una fortaleza de ecuaciones y lo hizo visible. ¿Qué pensaría Demócrito de eso?

Previsiones de Mendeleev

A menudo se considera que está en el libro. El químico escéptico, publicado en 1661 por el ardiente físico y atomista irlandés Robert Boyle, quien por primera vez definió la noción moderna de elemento químico. en su Tratado de Química Elemental, publicado en 1789, Lavoisier distingue unos treinta años, entre tungsteno y molibdeno, descubierto unos años antes. Los categoriza según sus propiedades y distingue los “Sustancias metálicas simples, oxidables y acidificables” no-metalico. En 1803, John Dalton, el padre de la teoría moderna de los átomos, publicó la primera lista de elementos clasificados según su peso atómico (o “masa atómica”). Durante el siglo XIX, descubriremos casi cincuenta, gracias en particular a dos inventos. La electrólisis, facilitada por la nueva batería Volta, permite a Humphry Davy en Inglaterra descubrir entre 1807 y 1808 sodio, potasio, calcio, magnesio y bario. Y en 1860, fue en Alemania donde Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen publicaron en rápida sucesión el principio del análisis espectral y el descubrimiento, de esta manera, del cesio y el rubidio.

Ya en 1817, el alemán Johann Döbereiner introdujo la noción de “tríada”: la masa atómica del estroncio, por ejemplo, es igual al promedio de las masas atómicas de calcio y bario … Sin embargo, estos tres elementos tienen similares propiedades químicas. propiedades. La primera “Tabla periódica” será publicada en 1865 por el británico John Newlands. Tiene 62 elementos, ordenados de acuerdo con su “ley de octavas”, porque tienen propiedades similares, señaló, los ocho elementos … Pero es el de Dmitri Mendeleiev, publicado en 1869, que la historia recordará. Quizás porque el químico ruso predijo la existencia de una docena de elementos aún desconocidos, como el aluminio eka … descubierto en 1875 y llamado galio. Seguido por ekabor (escandio) en 1879. Y eka-silicio (germanio) en 1886. Desde la síntesis en 2010 del elemento 117, tennesse (Ts), la tabla, a la que se han agregado muchos. Correcciones y adiciones, está completo. Tiene 118 elementos, que van desde hidrógeno (H) hasta oganesson (Og). Además de los 94 elementos naturales identificados, la teoría predice 24 y se sintetizan utilizando aceleradores de partículas.

por Pierre Vandeginste