¿Cómo se supo que existen los átomos?

Una idea de 2.400 años que nadie podía probar

La palabra es griega: atomos quiere decir “que no se puede cortar”. En la tradición griega, Leucipo, en el siglo V antes de Cristo, y después Demócrito propusieron que todo está hecho de partículas indivisibles moviéndose en el vacío.^[6] Era filosofía, no un experimento: nadie podía ver ni contar esas partículas.

En 1808, el químico inglés John Dalton convirtió la idea en una herramienta. En A New System of Chemical Philosophy escribió que el análisis y la síntesis químicos “no van más allá de separar partículas unas de otras y volver a unirlas”, y que sería tan imposible crear o destruir una partícula de hidrógeno como agregar un planeta al sistema solar.^[3] Con esa hipótesis, cada elemento tenía un peso atómico relativo, y las reacciones se volvían cuentas.

Pero la química podía usar esos pesos sin comprometerse con que las partículas existieran de verdad. Por eso, todavía en la década de 1880, la existencia física de átomos y moléculas seguía en disputa.^[4] En su conferencia Nobel de 1926, Jean Perrin lo resumió así: la realidad de las moléculas y los átomos “era puesta en duda hace veinte años”.^[1]

El temblor que delató a las moléculas

La salida llegó por un fenómeno ya conocido: cualquier grano muy pequeño suspendido en un líquido, mirado al microscopio, tiembla sin parar y nunca se aquieta. Es el movimiento browniano, que según Perrin había establecido con certeza el botánico Robert Brown; cuanto más chico el grano, más violenta la agitación.^[1]

En mayo de 1905, Albert Einstein publicó en Annalen der Physik que, si el calor es el movimiento de moléculas, los choques de esas moléculas tienen que sacudir cualquier grano lo bastante chico, y calculó cuánto. Para un grano de una milésima de milímetro en agua a 17 °C, el desplazamiento medio debía ser de unas 0,8 micras en un segundo y de unas 6 micras en un minuto (no 48: el camino crece con la raíz cuadrada del tiempo, no en proporción).^[2] Su planteo era una apuesta: si la agitación se observaba, se podría determinar “el verdadero tamaño de los átomos”; si no, sería “un argumento de peso” contra la teoría molecular del calor. Cerraba con un pedido: que algún investigador lo decidiera pronto.

Cómo lo sabemos

Jean Perrin, en París, hizo el experimento que Einstein pedía, y uno más. Primero necesitaba granos iguales. Disolvió resina de gutagamba en alcohol, agregó agua para que precipitara en esferitas de todos los tamaños y las separó por centrifugado. En su fraccionamiento más cuidadoso trató un kilo de gutagamba durante meses y obtuvo unos decigramos de granos de unas tres cuartas partes de milésima de milímetro de diámetro.^[1]

Después razonó como con la atmósfera. El aire se enrarece con la altura porque las moléculas pesan: en oxígeno a 0 °C, la densidad se reduce a la mitad cada 5 kilómetros. Si sus granos se comportaban como moléculas gigantes, en una gota de emulsión debía pasar lo mismo, pero en micras. Contando granos al microscopio a distintas alturas, encontró una emulsión en la que la concentración se reducía a la mitad cada 6 micras. Como conocía el peso de cada grano, esa cifra le daba el número de moléculas en un mol: 68 × 10²², es decir 6,8 × 10²³.^[1] Cambió la masa de los granos (de 1 a 50), el material, el líquido y la temperatura (de −9 a +60 °C), y el número no se movía.

Luego midió lo que Einstein había predicho: cuánto se desplazaban los granos en un tiempo dado. Obtuvo 64 × 10²². Midió también cómo giraban esferas más grandes, de 13 micras: 65 × 10²².^[1] Lo que decidió la cuestión no fue un valor sino la coincidencia entre métodos que no tenían nada que ver entre sí.

Perrin sacó la conclusión en 1926: ese conjunto de acuerdos creaba “una certeza al menos igual” a la que se atribuye a los principios de la termodinámica.^[1] La Academia sueca le dio el Nobel de Física de ese año “por su trabajo sobre la estructura discontinua de la materia, y especialmente por su descubrimiento del equilibrio de sedimentación”.^[4] Su margen de error era de algunos centésimos, según él mismo; hoy el número de Avogadro no se mide: está fijado por definición en 6,022 140 76 × 10²³.^[5]

Lo que se suele decir mal

“Dalton demostró que los átomos existen.” Dalton los usó, no los demostró, y además se equivocó en detalles importantes. Supuso que, si dos elementos forman un solo compuesto, este lleva un átomo de cada uno: por eso escribió el agua como un átomo de hidrógeno y uno de oxígeno, con pesos 1 a 7.^[3] Hoy sabemos que la molécula de agua tiene dos hidrógenos. Su teoría servía para ordenar la química, pero no respondía si las partículas eran reales o una forma cómoda de contar.

“Los átomos se aceptaron cuando se pudieron ver.” Fue al revés: se aceptaron décadas antes de que un instrumento mostrara uno. La prueba fue indirecta, por la coincidencia de números. Con el movimiento browniano no se ven las moléculas: se ve su efecto sobre granos que sí caben en el microscopio, y ese efecto tiene justo el tamaño que predice la teoría.

“Einstein descubrió el movimiento browniano.” El temblor ya lo había establecido Brown, y Perrin recordaba que Lucrecio lo había anticipado y Buffon sospechado.^[1] Einstein escribió que los datos a su alcance sobre ese fenómeno eran tan imprecisos que no podía juzgar si era el mismo que él predecía.^[2] Lo nuevo fue calcular cuánto debía moverse un grano, y eso es lo que Perrin pudo medir.