Física Atómica FÍS.

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Física

Introducción. Resulta difícil dar una definición precisa de lo que se entiende por F. a., pero tal vez lo más adecuado sea decir que es la ciencia que se ocupa del estudio de las propiedades físicas de los átomos (v.), y, por tanto, de las de la materia, de la que son elementos sillares los átomos cuando se consideran como una entidad global, es decir, compuestos de núcleo (v.) central y electrones corticales. De esta forma por lo menos queda clara su diferencia con la F. nuclear (v.), que se ocupa exclusivamente de todas aquellas propiedades de la materia y fenómenos físicos ligados al núcleo. No obstante, resulta inevitable una cierta superposición entre ambos campos del conocimiento por el hecho de que el átomo incluye núcleo y corteza electrónica, pero, indiscutiblemente, con nuestro criterio la zona de solapamiento se reduce mucho, y, en último término, aunque sea imposible trazar una línea clara de separación entre F. a. y F. nuclear, podríamos decir que la primera comprende a la segunda y que ésta es una rama mucho más reciente, pues hasta bien entrado el siglo actual eran nulos los conocimientos que se tenían acerca del núcleo. Estas consideraciones justifican el hecho de que con mucha frecuencia se hable de energía, reactores o explosivos, con el calificativo de atómicos, cuando en realidad todos estos conceptos, por estar ligados a la estructura y propiedades de los núcleos, debían calificarse de nucleares, y los fenómenos físicos correspondientes deben encuadrarse en F. nuclear.

División. La F. a., aunque no es un cuerpo de doctrina reciente, se desarrolló extraordinariamente desde que se llegó a la conclusión de que la materia estaba formada por átomos y, mucho más todavía, a partir del momento en que se puso de manifiesto la estructura compleja de éstos. Por esta razón, la F. a. puede considerarse dividida en dos grandes partes; en la primera se engloban todas las propiedades macroscópicas de la materia capaces de ser interpretadas mediante la sencilla hipótesis de que ésta está compuesta por átomos y moléculas indivisibles, puesto que su estructura no juega ningún papel; bien es verdad que la -misma afinidad de unos átomos por otros para formar moléculas no puede interpretarse más que considerando la propia estructura atómica y, por tanto, cae dentro lo que consideramos como segunda parte, que es en la que la F. a. moderna ha alcanzado su gran desarrollo, al interpretar fenómenos tan diversos como la estructura de la materia, sus interacciones con la radiación y, en fin, toda la moderna F. del estado sólido.

Desarrollo histórico. Primera época. En relación con la primera parte, y sin recorrer toda la historia, pues las ideas más antiguas acerca del átomo fueron sentadas ya por Demócrito 400 años a. C., las primeras evidencias sobre la estructura del átomo surgen de los trabajos de los químicos franceses Lavoisier y Proust, y del inglés Dalton, a principios del s. xlx. Al último se le considera como fundador de la teoría atómica moderna, debido a su trabajo relativo a la composición de los gases, que le llevó a enunciar la bien conocida ley según la cual aquéllos se combinan en proporciones múltiples. Ésta fue seguida por la ley de Gay-Lussac (v.), que hace referencia a los volúmenes, y en 1811 Avogadro introdujo la idea de átomos y moléculas como única forma correcta y sencilla de interpretarlas, estableciendo que "volúmenes iguales de gases distintos, a la misma presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas".

Otra evidencia en favor de la atomística, o teoría atómica de la materia, procedió del estudio del movimiento browniano, descubierto en 1827, y que consiste en que las partículas sólidas en suspensión acuosa, observadas al microscopio, presentan un movimiento irregular en forma de zig-zag, en ausencia de cualquier agente mecánico y térmico de agitación; para interpretarlo hubo que suponer que el movimiento era debido a los impactos que recibían dichas partículas, procedentes del propio movimiento de agitación térmica del agua. Para Perrin el movimiento browniano evidenciaba tan claramente la existencia de las moléculas, como la vela de un barco, al que no divisamos, pone de manifiesto, por sus movimientos, la agitación del mar en que navega.

Con toda esta evidencia experimental de que la materia es de naturaleza discontinua y está formada por átomos y moléculas, se construye la teoría cinética (v.) de los gases, que partiendo de la hipótesis de que éstos están formados por moléculas que se comportan como meras esferas elásticas, logra interpretar todas las propiedades de los gases, así como bastantes de los sólidos y líquidos, en especial las propiedades térmicas, pues llega a una justificación muy clara y sencilla de la teoría de calores específicos, así como de las relaciones que deben existir entre los calores molares de los gases.

Entretanto, Faraday (v.), en sus trabajos relacionados con la electrólisis (v.), llegó a la conclusión de que la carga eléctrica es discontinua, y, a continuación, se logró un avance importante gracias a la aportación de J. 1. Thomson (1897), quien, al estudiar lo que ocurre en las, descargas eléctricas en atmósferas gaseosas, demostró que los rayos catódicos (v. RAYOS x) proceden de los átomos, ya que entran en la estructura de todos ellos; posteriormente la carga específica, es decir, por unidad de masa, fue medida y resultó concordante con la correspondiente a los iones en la electrólisis. Finalmente, la carga eléctrica de los electrones (v.) fue medida por Millikan (v.) en 1909, en su histórica experiencia de la gota equilibrada; dicha gota, cargada por frotamiento al caer del pulverizador, presentaba siempre una carga eléctrica múltiplo de una elemental, que debía ser la del electrón.

Segunda época. En seguida surge la primera idea del átomo como estructura compleja, debida a Rutherford (v.), ’seguida por las ideas de Bohr (v.), que establecen los niveles energéticos del átomo, hasta llegar al concepto actual del átomo, dado por la Mecánica cuántica (v. MECÁNICA Iv), según el cual hay que asignar a la materia, y concretamente a cada partícula, cierta naturaleza undulatoria.

A partir de este momento en que el átomo aparece como complejo, la F. a. entra en su segunda etapa; estudia y logra interpretar el mecanismo de los espectros (v.) atómicos, tanto los de emisión o radiaciones electromagnéticas emitidas por los átomos y moléculas excitados al pasar de un estado energético superior a otro inferior, como el proceso inverso, en que ciertas radiaciones electromagnéticas del espectro continuo son absorbidas por átomos y moléculas,, en virtud de un fenómeno de resonancia óptica en el que los electrones, gracias a la absorción de la energía adecuada, pasan a un estado energético superior. Se logra explicar también las interacciones de los electrones, rayos gamma y otras partículas, con los átomos y moléculas, y se pone en claro el mecanismo de producción, naturaleza y propiedades de los rayos X, que resultan ser una radiación electromagnética que no difiere de la luz visible o radiaciones emitidas por los átomos más que por el hecho de que al poner en juego estados energéticos más internos, son de mayor frecuencia, es decir, de menor longitud de onda, y con ello tienen mayor poder de penetración. Precisamente la naturaleza de los rayos X fue puesta de manifiesto por Laue, quien recurrió para difractarlos a las redes cristalinas naturales, naciendo con ello, por otra parte, la moderna ciencia de la cristalografía, pues gracias a los rayos X pueden conocerse cuantitativamente las características de las estructuras cristalinas.

Por último, el estudio general de las propiedades de los sólidos, que constituye el moderno y trascendental campo denominado F. del estado sólido, a su vez puede considerarse como una faceta de la F. a., pues todas las propiedades de los sólidos (ópticas y magnéticas, semiconductores, electrónicas) con sus innumerables aplicaciones técnicas (transistores, baterías solares, rectificadores, amplificadores, laser, etc.) se interpretan a partir de las estructuras electrónicas de los átomos, o de las moléculas y cristales que, a fin de cuentas, son agregados atómicos.

V. t.: ÁTOMO; ELECTRÓN; GASES; NÚCLEO; RADIACTIVIDAD.

J. CATALÁ DE ALEMANY.

BIBL.: H. SEMAT, Física Atómica y Nuclear, Madrid 1966; P. FLEURY-1. P. MATHIEU, Atomes, moléeules, noyau4 París 1966; A.J. DEKKER, Física del estado sólido, Madrid 1964.