sábado, 5 de junio de 2010

La existencia de los átomos (2)

En esta entrada seguiré hablando del movimiento browniano:

Hay una manera muy simple de ver este fenómeno, sin necesidad de recurrir a un microscopio. En una habitación sin mucha luz y libre de corrientes de aire, en ocasiones podemos ver las motitas de polvo suspendidas en el aire e
iluminadas por la luz que entra por una ventana. Si seguimos una de ellas con atención no tardaremos en notar que se mueve erráticamente y sin cesar (yo siempre utilizo el ejemplo del borrador y las partículas de tiza. Se da un pequeño golpe contra la pizarra y se observan las partículas de tiza moviéndose a través del aire del aula).

Pues bien, fue Einstein, de manera teórica (y de forma absolutamente genial, no se me ocurre otro epíteto), quien explicó de forma matemática las características de este movimiento aleatorio de partículas, denominado movimiento Browniano (en honor al escocés Robert Brown, biólogo y botánico que descubrió éste fenómeno en 1827). Para ello, partió de la idea de que el movimiento aleatorio de estas partículas se debía a que su superficie de las mismas era golpeada incesantemente por las moléculas del fluido sometidas a una agitación térmica (véase Sobre el movimiento requerido por la teoría cinética molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario, año 1905). Además, postuló que ciertas características del movimiento browniano dependían del tamaño de las moléculas del líquido. Esto le permitió proponer un método para determinar el tamaño de las moléculas del agua, directamente de la observación del movimiento browniano.

En la siguiente imagen tenemos un esquema de este tipo de movimiento:


El estudio experimental lo llevó adelante el físico francés Jean Perrin, quien para 1910 anunció que había podido medir el tamaño de las moléculas del agua siguiendo el método propuesto por Einstein (Les preuves de la réalité moléculaire, 1911). Para ello realizó minuciosas observaciones experimentales del fenómeno descrito por Einstein utilizando un microscopio, y realizando múltiples fotografías de las partículas en suspensión, obteniendo una sucesión de fotografías (es decir, una película) en la cual se podía apreciar la distribución de las partículas esféricas que eran agitadas bajo el efecto del movimiento browniano.



Estas pruebas experimentales supusieron la aceptación definitiva de que la matería estaba constituida por átomos y moléculas, ya que hasta los escépticos más recalcitrantes (como Ostwald) las consideraron como válidas.

Podéis encontrar mucha más información en el siguiente libro, donde J. Perrin describe sus trabajos:


Es más, estas experiencias permitieron calcular el valor de la constante de Avogadro. En la página 150 describe cómo con sus trabajos es posible calcular el número de Avogadro. De hecho, J.Perrin indica: "In fact, I changed (with the valuable assistance of Bjerrum, Dabrovski, and Bruhat) the mass of the grains (from 1 to 50), their nature (gamboge, mastic), their density (1.20 to 1.06), the nature of the intergranular liquid (water, strongly sugared water, glycerol in the upper layers of which the grains of mastic, being lighter, accumulated) and lastly the temperature (from -9° to +60°). My most careful measurements made with an emulsion the rarefaction of which doubled with each rise of 6 microns, gave a value for N of 68 X 10 22."

También nos podemos plantear la pregunta: ¿alguien pensó algo parecido en esos 2500 años? Obviamente, la respuesta es afirmativa, ya que no podemos dejar en el camino a pensadores que a lo largo de la historia estuvieron plenamente convencidos de la existencia de los átomos (Lucrecio, Boyle, Newton, etc.). Sin embargo, la falta de evidencias experimentales de esta existencia impidió la aceptación universal de la hipótesis atómica.

En este enlace podréis encontrar una simulación del movimiento browniano de una partícula de polen rodeada de moléculas de agua:
Movimiento browniano

Aunque todos los hechos anteriormente descritos son muy importantes, resulta mucho más efectivo mostrar a nuestros alumnos la existencia de los átomos sobre la base de las pruebas aportadas por las últimas tecnologías, con imágenes mucho más ilustrativas que las que expuse en la anterior entrada. Por ello, en mis clases, siempre suelo motrarles con el proyector imágenes de estructuras atómicas obtenidas mendiante el microscopio de efecto túnel. Es tal la importancia de este invento, que tres científicos, Ernst Ruska, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, obtuvieron el premio Nobel de Física en 1986 gracias a sus trabajos relacionados con este dispositivo.

En sucesivas entradas iré tratando este tema con un poco más de detalle.

1 comentario:

  1. Ya me pasé por aquí, ¡muy interesante! No conocía a Jean Perrin. Pues mi blog es parte del Proyecto Fin de Master que presentaré en Junio! A ver qué tal.

    Me quedo por tu blog. Un saludo!

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