Para reflexionar acerca de la materia y la energía

Lluvias en Ibagué. Foto El Olfato

Por Nelson Lombana Silva

Mientras llueve y el frío azota la ciudad musical de Colombia, Ibagué, nada mejor que reflexionar un poquito sobre la materia y la energía en el marco mágico de la ciencia.

Mientras muchos por estos días tratan de alejarse de la materia para caminar senderos de espiritualidad y soñando despiertos invocar mundos irreales y fantásticos, la propuesta aquí consiste en acercarnos al entendimiento de nuestra verdadera realidad antropológica y sociológica a partir del conocimiento de la materia y de la energía.

¿Qué es la materia y la energía? Sin mucha elucubración podría decirse que materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. Para su comprensión mejor habría que echar mano de una ciencia llamada Química. Esta ciencia tiene por objeto estudiar la estructura, propiedades y transformación de la materia a nivel atómico y molecular. Esta ciencia presenta las descripciones de las sustancias que se estudian y sus diversos comportamientos.

Es decir, la materia inorgánica está compuesta de pequeñas partículas llamadas átomos y estos átomos se asocian – para decirlo de alguna manera – formando compuestos, es decir, moléculas.

Aspecto especial en relación con la materia: Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. ¿Por qué? Porque las partículas que lo conforman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones práctica o relativamente fijas.

La materia se encuentra básicamente en tres estados: Sólida, líquida y gaseosa. En los gases – por ejemplo – las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas, de igual manera, en un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño. Dichas partículas se mueven en forma desordenada, produciéndose choques entre ellas y con las paredes del recipiente. Eso explica las propiedades de expansibilidad y comprensibilidad que presentan los gases.

Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. Las partículas están unidas por fuerzas de atracción menores que en los sólidos, razón por la cual las partículas de un líquido pueden trasladarse con entera libertad.

Por su parte, la energía se puede definir como la capacidad de realizar un trabajo. Dicha energía podría ser: Potencial, Cinética, Química, Calorífica, Radiante o Electromagnética, etc.

El famosísimo científico Albert Einstein, descubrió que la luz es atraída por la materia debido a su gravitación. La ley gravitacional es la fuerza de atracción hacia su centro. Isaac Newton, otro famosísimo científico, había hallado respuesta a la pregunta por qué los cuerpos caen hacia la tierra.

Pero volviendo con el científico Albert Einstein, pudo demostrar que la materia se puede convertir o transformar en energía y viceversa, la energía en materia, a partir de la ecuación que revolucionó la ciencia y el conocimiento científico de la humanidad. Esta es muy sencilla: E = mc2.

E, significa energía producida; m, la masa que se convierte en energía  y c corresponde a la velocidad de la luz, la cual es de 300.000 kilómetros por segundo en el vacío.

Con esta asombrosa ecuación deducida por este científico, pudo descubrir la ley de la conservación de la energía, de tal manera que en todas las reacciones químicas, la energía que interviene en algún cambio físico o químico aparece en alguna otra forma después del cambio, conservándose la energía. Esta ley se define así: La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Estructura de la materia

La ciencia es bien sabido se opone a todo dogma. Parte del criterio del movimiento y el desarrollo permanente a través de la contradicción. Se fundamenta en la evolución y el materialismo histórico – dialéctico. Nada está dado de una vez y para siempre como lo pregonan el idealismo y las distintas religiones que el ser humano se ha inventado a través de la historia para dar una explicación del mundo, la sociedad y el pensamiento.

Por eso la preocupación histórica de la humanidad, especialmente la comunidad científica, es el conocimiento de la materia. Preocupación que no es exclusivamente de la humanidad contemporánea. Los filósofos griegos y chinos – por ejemplo – han devanado sus sesos alrededor de un concepto básico, clave: El Átomo. ¿Qué es el átomo? ¿Cuál es su estructura?, son interrogantes planteados y sobre los cuales la ciencia ha dado puntadas supremamente importantes y clarificadoras a partir de la evolución histórica de la materia.

Algunos teóricos sobre el tema son: John Dalton, J.J. Thomson, Rutherford, Geiger, Niels Bohr, Mariden, E. Schrödinger  y W.K. Heidelberg.

John Dalton, publicó un trabajo intitulado: “A new System of Chemical Philosofophy”, en el que presentó su visión acerca del átomo, recogiendo de paso gran parte de las afirmaciones de los filósofos griegos a partir del siglo 400 antes de nuestra era.

Su tesis la sintetiza en los siguientes postulados:

1.     Cada elemento está constituido por partículas pequeñas llamadas átomos;

2.     Los átomos de un elemento dado, son idénticos; los átomos de elementos diferentes, son distintos en algún aspecto;

3.     Los compuestos químicos se forman cuando los átomos se combinan entre sí. Un compuesto dado tendrá siempre la misma proporción de átomos de un mismo tipo, independiente del método experimental de preparación;

4.     Las reacciones químicas implican reorganización de los átomos produciendo cambios en la forma que se unen o forman enlaces.

La práctica demostró posteriormente que no todos sus postulados eran ciertos.  

Realmente el primer experimento interesante y concreto que condujo a proponer un modelo de átomo, estuvo a cargo del físico inglés J.J. Thomson, entre los años 1898 a 1903. Estudió la descarga eléctrica que se produce dentro de tubos al vacío parcial, es decir, con algo de aire, llamados: “Tubos de rayos catódicos”.

Dedujo de sus experimentos que el átomo posee electrones con carga negativa y cómo el átomo debe ser neutro; entonces a su vez, existe una carga positiva, la cual está concentrada en el interior del átomo (núcleo) y los electrones en las órbitas que llamó: “Nubes difusas a su alrededor”.

En 1909, Rutherford, Geiger  y Mariden, proponen que el átomo está formado por un núcleo central en el que se encuentra casi la totalidad de la masa y toda la carga del núcleo, los cuales se encuentran a distancia relativamente grande de este núcleo. Pensaron que los electrones giraban alrededor del núcleo para que la fuerza centrífuga compense la fuerza de atracción y de esta manera se evita que los electrones  caigan sobre el núcleo.

Tal tesis tuvo sus fallas, entre las más notorias:

1.     Se contradecía con las leyes del electromagnetismo  de Maxwell;

2.     No explicaba los espectros atómicos;

3.     Las tres partículas fundamentales del átomo son: Protón, electrón y neutrón. En su avance, la ciencia ha demostrado que los átomos son divisibles, es decir, partículas aún más pequeñas, como el Positrón, el Mesón, los Neutrinos y los Quarks, entre otros.

Niels Bohr, para exponer su modelo de átomo utilizó el de hidrógeno. Lo describió con un protón en el núcleo y girando a su alrededor un electrón, giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o sea, la órbita más cercana al núcleo posible. 

Cada nivel energético que identifica cada una de las órbitas, toma valores de 1 a 7 (con números enteros), se representa con la letra n y recibe el número de “Número Cuántico Principal”.

De acuerdo al número cuántico principal, calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Pero, el modelo de Bohr no satisfizo plenamente. Entre otras cosas porque no explica plenamente la estructura de los átomos más complejos que el hidrógeno.

Actualmente, el modelo atómico de orbitales se fundamenta en las tesis expuestas por diversos científicos, entre otros, el austriaco E. Schrödinger y el alemán W. K. Heidelberg. Dicho modelo establece una serie de postulados, como el electrón  se comporta como una onda en su movimiento alrededor del núcleo.

Así las cosas, no resulta posible predecir la trayectoria exacta del electrón alrededor del núcleo, lo cual coloca en entredicho la tesis de Bohr en cuanto a la idea de órbitas definidas. Hay clases de orbitales que se diferencian por su forma y orientación en el espacio, decimos entonces que hay orbitales s, p, d, ó f.

Sobre el particular no se ha escrito la última palabra. Cada vez la ciencia permite descubrir hechos y sucesos más asombrosos acerca de la materia. La evolución no se detiene, continúa su curso normal.

Por estos días de reflexión, nada mejor que acudir a la ciencia para comprender la realidad concreta, develar todo cuanto el analfabetismo nos impide saber y que al no saber acudimos al oscurantismo mundo del idealismo concibiendo ingenuamente la sobrenaturalidad. La ciencia nos permite concluir claramente que no hay nada sobrenatural, todo es natural.[i]   

[i] Para el escribir este artículo acudimos al siguiente texto: Lluvias en Ibaguépáginas consultadas: 3 a 8. Además, los conocimientos de la profesora Gladys Barrera Ortiz, cuando cursábamos los grados 10 y 11 en el colegio Carlos Blanco Nassar, en Anzoátegui, Tolima.