UNA OJEADA A LA MATERIA

UNA OJEADA A LA MATERIA

Autores: GUILLERMO AGUILAR SAHAGÚN / SALVADOR CRUZ JIMÉNEZ / JORGE FLORES VALDÉS

PRIMERA PARTE

I. ESTADOS DE LA MATERIA

II. MUCHAS OTRAS PREGUNTAS

III. EL ATOMISMO DE LOS GRIEGOS

IV. LA MECÁNICA DE GALILEO Y NEWTON

V. LA GRAN SÍNTESIS DE MAXWELL

VI. RENACE EL ATOMISMO

VII. LA LUZ DE LOS ELEMENTOS

VIII. LAS PRIMERAS IDEAS CUÁNTICAS

IX. EL ÁTOMO TIENE ESTRUCTURA

X. EL MODELO DE BOHR

XI. LA NUEVA FÍSICA

XII. EL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

XIII. ÁTOMOS COMPLEJOS

XIV. OTRA VEZ LA TABLA PERIÓDICA

XV. LA FORMACIÓN DE LAS MOLÉCULAS

XVI. LOS ACELERADORES ATÓMICOS

XVII. A MANERA DE RESUMEN

XVIII. LOS CONSTITUYENTES DEL NÚCLEO

XIX. LOS ACELERADORES NUCLEARES

XX. MODELOS TEÓRICOS DEL NÚCLEO

XXI. LA FÍSICA DE PARTÍCULAS MUY VELOCES

XXII. LA MECÁNICA CUÁNTICA RELATIVISTA

XXIII. LA HISTORIA DE LOS CRISTALES

XXIV. TEORÍA ATÓMICA DE LOS CRISTALES

XXV. ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS

XXVI. EL MODELO DE PARTÍCULAS INDEPENDIENTES

XXVII. IMPUREZAS Y SEMICONDUCTORES

XXVIII. LA SUPERCONDUCTIVIDAD

ESTADOS DE LA MATERIA

HIELO, agua, vapor... tan distintos en apariencia e idénticos en lo esencial. El hielo, frío y que mantiene su forma; el agua, líquida y que adopta la forma de su recipiente; el vapor de agua, caliente, que tiende a llenar todo el espacio que lo contiene. Sin embargo, éstas son tan sólo tres formas distintas -fases, las llaman los físicos- de la misma sustancia, el agua.

Cambiando su temperatura, el agua puede pasar de una fase a otra. Y esto no sólo se da en ella sino que ocurre con todas las sustancias. Con el paso de las diversas civilizaciones, el hombre ha inventado y descubierto procesos y máquinas que le permiten dar a una sustancia la fase deseada: sólida, líquida o gaseosa. Los hornos de las fundiciones son capaces de derretir metales como el hierro, plomo y otros; hay fábricas que producen hielo seco, que no es otra cosa que el bióxido de carbono solidificado. Y tenemos máquinas que licuan el aire, refrigeradores que solidifican el agua y calderas que la vaporizan.

Estas máquinas alteran no sólo la temperatura de la sustancia, sino que también cambian su presión o su volumen. La relación entre estos tres factores, temperatura, presión y volumen, depende de la fase en que se encuentre la sustancia. Esta relación, que resume un enorme conjunto de observaciones experimentales, era conocida, en muchos casos, desde hace bastante tiempo. Así, desde el siglo XVII se conocían las leyes de los gases, formuladas por Boyle, Mariotte, Charles y Gay Lussac, y que se pueden resumir diciendo que el producto de la presión por el volumen es proporcional a la temperatura del gas.

Esta relación es válida para todas las sustancias gaseosas a muy baja presión; en el caso opuesto, cuando la presión es muy alta, como la que se produce después de una explosión, también es posible encontrar relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura, que son de carácter muy general. Para valores intermedios de la presión, las cosas se complican y ya no es posible hallar relaciones simples. Los físicos y los químicos han recurrido entonces a los diagramas PVT, que les permiten observar las condiciones en que se dan cada una de las fases, y el tipo de proceso que puede llevar de una a otra.

Entre las condiciones de presión y temperatura, existe una, la llamada condición normal, porque es muy parecida a la que soportamos en la vida cotidiana. La condición normal se da a una temperatura de 20°C y a una presión de una atmósfera. En condiciones normales, el agua es líquida, el oro y la plata son sólidos, y el hidrógeno, el oxígeno y el hielo se presentan en su fase gaseosa. ¿Por qué ocurre esto?

Resolver este porqué, y muchos otros que luego veremos, constituye un reto al que se da el nombre de física. Narrar un poco de su historia y de la situación en que se encuentra hasta nuestros días, forman el relato que ahora emprenderemos.

MUCHAS OTRAS PREGUNTAS

A LO largo de su historia, el hombre acumuló experiencias y un enorme conjunto de observaciones sobre el mundo que lo rodea. Aprendió incluso a hacer experimentos, o sea observaciones en condiciones controladas por él y sujetas a repetición. Con ello surgieron cuestiones, cuya solución siempre llevó a nuevas cuestiones. Así, después de descubrir las leyes de los gases, los científicos se preguntaron qué habría detrás de ellas, pues eran tan generales. Y cuando descubrieron que el helio, el neón, el argón y otros, eran gases raros, muy nobles, que no reaccionan químicamente, surgió el problema de entender por qué.

Desde que Arquímedes, en la antigua Grecia, exclamó ¡Eureka! hasta nuestros días, el hombre ha experimentado con fluidos: líquidos y gases. El ascenso de un líquido por un tubo capilar, la forma que toman las gotas de agua o las pompas de jabón y la existencia de meniscos cóncavos o convexos en la superficie de un líquido, son tan sólo unos cuantos ejemplos de las interrogantes que se presentan a los físicos.

Y en el caso de los sólidos las preguntas pueden aun ser más variadas. Aunque la división no es tajante, se puede clasificar a los sólidos en dos grandes tipos: los metales y los que no lo son. Los metales son dúctiles, sólo se funden a muy altas temperaturas, conducen bien el calor y la electricidad, se dilatan con pequeños cambios de temperatura y son opacos a la luz reflejando bien la radiación. Por su parte, los no-metales tienen las propiedades opuestas: son quebradizos, se funden fácilmente, son aisladores eléctricos y térmicos, dejan pasar la luz y no se dilatan fácilmente. Además, los sólidos pueden presentarse en diversas formas: el mismo carbono que aparece en los restos de una fogata, puede hallarse en un escaparate fastuoso o en la puntilla de un lápiz. Cambiando las condiciones de presión y temperatura, se le puede llevar de una estructura amorfa hasta que aparezcan las hermosas facetas, perfectamente planas, de los diamantes cristalinos. De la dureza de éstos a la blandura del grafito, podemos ir también. ¿Por qué sucede todo ello con los sólidos? ¿En qué radica la diferencia entre un metal y un no-metal?

Curiosamente, algunas de las respuestas a estas viejas preguntas son de origen muy reciente. Puede decirse que no se conocían antes de la primera Guerra Mundial. Es precisamente en el periodo de entre guerras, luego

...