La preocupación del hombre por conocer de que está formado el mundo que nos rodea se remonta a la antigüedad. Hoy sabemos que la materia que observamos a nuestro alrededor está formada por átomos y moléculas. Sabemos que en la naturaleza hay alrededor de cien elementos químicos estables y que todos ellos tienen la misma estructura básica: están formados por un núcleo formado por protones y neutrones y por una corteza constituida por electrones, que, a su vez, están formados por combinaciones de los quarks up y down.
La dificultad es aún mayor porque hay unas partículas subatómicas, aun más minúsculas de lo esperábamos difícilmente observables. La imposibilidad de detectar con los sentidos se ve aumentada por el descubrimiento realizado hace casi un siglo por el astrónomo holandés Jan Oort (1900-1992), el cual, estudiando el movimiento de estrellas próximas al Sol dedujo que debía haber, entre las estrellas observables, más materia además de las estrellas que vemos brillar en el cielo. A esa materia, no observable con telescopios ópticos la denominó materia oscura.
En este artículo trataré de dar una idea de la dificultad del problema de tratar de conocer cómo es la materia que observamos. Comenzaré con el filósofo Thales de Mileto (624 a. C.- c. 546 a. C.) que afirmaba que todo era agua. Empédocles de Agrigento (484 a.C.- 424 a.C.) que propuso que el mundo estaba formado por cuatro elementos (aire, fuego, agua y tierra) sublunar y los cielos por un quinto elemento que se llamó éter o quintaesencia.
Esta aportación, de apariencia ingenua, tuvo gran importancia porque suponía admitir que el universo se regía por unas leyes de la naturaleza inalterables y, además, que La razón humana es capaz de comprender esas las leyes. Por otra parte, los cuatro elementos eran considerados, además de elementos de los que estaba constituida la realidad, como representación de las fuerzas dinámicas impulsoras de la naturaleza.
Los griegos también comenzaron a explicar determinadas cuestiones naturales utilizando las matemáticas. Arquímedes (287 a.C.-212 a.C.) describió situaciones estáticas inmóviles mediante métodos geométricos y muchos siglos más tarde, Galileo (1564-1642) dio el paso a la ciencia predictiva estudiando problemas en los que intervenía el tiempo (como ya lo hacían los astrónomos).
Con el uso de las matemáticas se comenzaron a medir magnitudes para hacer ciencia. Se midieron distancias, tiempos, fuerzas o energías, pero ¿Cómo era la materia? ¿Cuál era la estructura de aquello que se medía y deseaba cuantificar?
Había indicios de que el elemento tierra de los griegos, presentaba características diferentes. Desde la antigüedad eran conocidos elementos químicos como el estaño, el cobre, el hierro, el carbono o el azufre. Los descubrimientos siguieron el bismuto, que aparecía mezclado con el estaño y plomo , se identificó en el siglo XVI. En 1783, los hermanos Elhuyar descubrieron en Bergara, en la Real Sociedad Bascongada de Amigos del país el Wolframio, en ese momento sólo eran conocidos veinticuatro elementos químicos y el descubrimiento del wolframio tuvo, gran repercusión en los ámbitos científicos de la época.
En el descubrimiento de nuevos elementos químicos tuvo una gran importancia a invención de la pila eléctrica en 1800 por A. Volta (1745-1827) y su utilización en la electrolisis para producir la descomposición de algunos compuestos químicos cuando una corriente eléctrica atravesaba una disolución salina. Entre 1806 y 1808, H. Davy (1778-1827), mentor de M. Faraday (1791-1867) , logró la separación del magnesio, del bario, del estroncio, del calcio, el sodio, del potasio y el boro y en 1807 fabricó una batería con la que aisló el cloro.
Por otra parte, los químicos dieron un paso definitivo el descubrimiento de la naturaleza atómica de la materia; consiguieron resucitar, mediante pesadas precisas, las teorías atomistas de la filosofía griega con una fuerza renovada.
De la concepción atomista de la filosofía griega se llegó a una verdadera teoría científica del atomismo en el siglo XIX gracias a los trabajos de L. Proust (1754-1826), que formuló la ley de las proporciones definidas que afirmaba que las masas de dos elementos se combinaban para formar un determinado compuesto guardaban una relación constante y los resultados de J. Dalton (1766-1844), que estableció la ley de las proporciones múltiples, según la cual, en una reacción química, los pesos de dos elementos químicos, siempre se combinan entre sí en proporciones de números enteros pequeños. Buscando una interpretación a este fenómeno. Dalton expresó los principios de su teoría atómica con las premisas:
- Los elementos químicos están formados por átomos, que son partículas materiales separadas e indestructibles.
- Los átomos de un elemento químico determinado son iguales, tanto en su masa como en sus características.
- Los átomos de dos elementos químicos diferentes son distintos, tanto por su masa como en por sus propiedades.
- (Ley de Proust) Los diferentes compuestos químicos se forman por la unión de átomos de los diferentes elementos y guardan una relación numérica sencilla.
Un avance de importancia fundamental fue la aplicación de la espectrografía a la identificación de elementos químicos con dos protagonistas destacados: R. Bunsen (1811-1899) y Kirchhoff (1824-1887). Bunsen y Kirchhoff estudiaron el color de las llamas que se producían al quemar elementos químicos y observaron que cada uno producía una llama de color diferente (el calcio llama roja; el cobre llama azul; el sodio llama amarilla…). Para analizar los colores que producían hicieron pasar la luz de las llamas a través de un prisma óptico y descubrieron que el espectro de cada elemento era un arco iris con una combinación de colores característica de cada elemento. Los espectros eran discontinuos y en ellos aparecían un conjunto de líneas fijas que correspondían a emisiones de algunas longitudes de onda particulares. El espectro se podía utilizar para identificar elementos y era como una huella dactilar.
Bunsen y Kirchhoff construyeron un aparato que llamado espectroscopio que permitía observar espectros de las diferentes sustancias.
Las líneas fijas y oscuras del espectro solar habían sido observadas anteriormente por el astrónomo y físico J. Fraunhofer (1787- 1826 ) y su nombre está asociado a ellas, que se conocen como líneas de Fraunhofer, porque fue el primero en describirlas detalladamente. Fraunhofer había observado las líneas brillantes en el espectro producido por las llamas de los elementos y constató que aparecían en frecuencias próximas a las líneas oscuras en el espectro del Sol.
Pero, para hacer investigación fiable, Fraunhofer habría necesitado que las sustancias que se quemaban hubieran sido puras, puesto que si el elemento que se quemaba contenía impurezas se producía una imagen confusa de las líneas. Kirchhoff dispuso de las formas puras de las sustancias estudiadas y, en 1859, pudo observar que cada elemento tenía características únicas en el espectro. Presentó su ley de la radiación enunciando lo descubierto, diciendo que, para un átomo o una molécula dada, la frecuencia de la emisión y de la absorción de frecuencias era la misma.
Es decir, que si hacemos pasar la luz blanca por los vapores de una sustancia antes de atravesar el prisma sólo pasarán las longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por dicha sustancia y obtendremos el espectro de absorción de dicha sustancia.
Kirchhoff propuso las tres leyes empíricas que describen la emisión de luz por objetos incandescentes:
- Un objeto sólido caliente produce luz en un espectro continuo.
- Un gas tenue produce luz con líneas espectrales en longitudes de onda discretas que dependen de la composición química del gas.
- Un objeto sólido a alta temperatura rodeado de un gas tenue a temperaturas inferiores produce luz en un espectro continuo con huecos en longitudes de onda discretas cuyas posiciones dependen de la composición química del gas.
A continuación, se muestran los espectros de absorción y de emisión del sodio:
¿Es una casualidad que la línea amarilla del espectro del sodio corresponda a una de las líneas negras que se ven en el espectro solar? No, cuando la luz del Sol atraviesa su atmósfera, el sodio presente en ella absorbe precisamente la luz de color amarillo que vemos en su espectro
Esta propiedad fue aprovechada por Bunsen y Kirchhoff para estudiar la composición de la materia en el universo. Cuentan que, en cierta ocasión, mientras observaban, desde la terraza de la casa de Bunsen, la luz amarilla que emitía un incendio en el puerto de Hamburgo, (situado a unos 80 km) se les ocurrió hacer pasar la luz que venía del incendio por un espectroscopio y comprobaron que el espectro era el mismo que el que habían observado al quemar sodio. Pronto encontraron la explicación. Lo que estaba ardiendo en realidad era un almacén de salazones y lo que se quemaba era sodio.
Esto fue un descubrimiento crucial. Si era posible apreciar la presencia de sodio a distancia observando la luz de las llamas del incendio, también sería posible deducir la composición del Sol y de las estrellas analizando la luz que recibimos de ellas.
Se aplicó a la astronomía y se observaron el material que ardía en las estrellas. El hidrógeno y el helio eran los más abundantes. Se da del hecho sorprendente que el helio se descubrió antes en el Sol que en la Tierra (de ahí su nombre) y se observaron distintos elementos químicos en las estrellas, aunque en menores cantidades, iguales a los que existen en la Tierra.
