Repensando la historia de los modelos atómicos

29/08/2018 0 comentarios
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La evolución histórica de los modelos atómicos suele ser uno de los contenidos imprescindibles en la mayoría de libros de texto de Física y Química. Si bien la LOMCE eliminó del currículo de primer curso de Bachillerato el estudio de la estructura atómica, la historia de los modelos atómicos y del hallazgo de las partículas subatómicas sigue constituyendo un clásico de la historia de la ciencia escolar, especialmente, en Educación Secundaria Obligatoria. Pese a ser narrativas ampliamente conocidas, varios estudios han puesto manifiesto la existencia de falsedades históricas en dichas narrativas y la necesidad de repensar la historia de los modelos atómicos en la enseñanza.

Desterrado del pensamiento occidental por la visión continua de la materia de Aristóteles, el átomo resurge para explicar la estructura de la materia con los trabajos de Dalton. Con Dalton y su teoría atómica se iniciaría la evolución histórica de los modelos atómicos. O así lo recogen buena parte del los libros de texto. Algo que contrasta con los trabajos de los historiadores de la ciencia, que han mostrado que el concepto de átomo ha tenido significados cambiantes a lo largo de la historia. La idea (o ideas) de átomo habría sido usada en diferentes contextos para explicar diversos fenómenos de la naturaleza desde un enfoque corpuscular. Presentado Dalton y habiendo señalado al electrón como la primera partícula subatómica, hacen su aparición los diferentes modelos atómicos.

Thomson.png

Placa en honor al descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en 1897 ubicada en la fachada de la antigua sede del laboratorio Cavendish de Cambridge. No obstante, no fue sino hacia 1912 cuando J. J. Thomson comenzó a emplear el término "electrón". FitzGerald había propuesto recuperar dicho término en un principio utilizado por su tío (Stoney) para designar a las "unidades de electricidad". Unidades que correspondían, según Stoney, a los puntos (sin masa) del éter donde se concentraba la carga que habían apuntado los trabajos de Lorentz y Larmer. Una muestra de la colectividad subyacente tras el "descubrimiento" del electrón. Fuente de la imagen: el autor.

Si bien han existo muchos más modelos atómicos de los presentes en las narrativas escolares, hay tres que en los primeros cursos de Física y Química no suelen faltar: el modelo atómico de Thomson o modelo del "pudin de pasas", el modelo de Rutherford o modelo planetario del átomo y el modelo de Bohr. Según se examinan los libros de texto de cursos superiores, se incorpora el modelo mecanocuántico (y a veces el modelo de Bohr-Sommerfeld previamente) para explicar diversos aspectos sobre la estructura de la materia, las propiedades periódicas de los elementos químicos o el enlace químico. En muchos casos, dichos modelos atómicos aparecen unos detrás de otros de modo que se hará uso del modelo más actual, siendo presentados los modelos anteriores como meros preámbulos del "modelo bueno". Los fallos de los modelos atómicos anteriores al modelo que en ese curso se vaya a emplear son destacados y presentados como virtudes del "modelo bueno". Desde esta presentación triunfalista de la construcción del conocimiento científico a lo largo de la historia, ¿qué sentido tiene estudiar los modelos pretéritos si son "peores"?

En su contexto, el modelo de Thomson fue empleado para explicar la formación de iones por pérdida o ganancia de corpúsculos negativos, la ley periódica -en contra de la imagen del modelo de Bohr como el primer modelo que intentó explicarla- o la radiactividad. Este último fenómeno era concebido como consecuencia de que los corpúsculos negativos del pudin (que posteriormente se denominarían electrones) superasen cierta velocidad límite. Este aspecto contrasta con la imagen estática del modelo de Thomson que presentan los libros de texto, donde los electrones permanecen incrustados en la esfera maciza de carga positiva "como las pasas en un pudin". En contra de esta imagen, los historiadores de la ciencia han señalado cómo los corpúsculos negativos de Thomson podían estar en reposo o en movimiento, siempre que quedase garantizada la estabilidad (mecánica) del átomo. Un hecho que pone de manifiesto cómo en ciencias se emplean modelos, con más o menos limitaciones, para explicar ciertos hechos en un determinado contexto.  Modelos Thomson

 Aunque frecuentemente se presenta el modelo de Thomson como una esfera con los electrones incrustados sin orden aparente y estáticos (izquierda), el modelo contempló la posibilidad de electrones en movimiento en anillos concéntricos "dentro del pudin" (derecha). Fuente de la imagen: Los modelos atómicos en los libros de texto

Pero el pudin de pasas tendrá, según las narrativas históricas escolares frecuentes, una corta trayectoria pues Rutherford y el célebre experimento de la lámina de oro llevaron a la propuesta de un modelo atómico en 1911 provisto de un núcleo atómico (de carga positiva) y una corteza con los electrones (de carga negativa) en movimiento. De nuevo, tal y como han puesto de manifiesto diversos trabajos sobre la presentación de la historia de la química en los libros de texto en los últimos años, esta imagen no se sostiene al examinar las fuentes históricas. Así, la primera versión del modelo de Rutherford contemplaba la posibilidad de que fuese el núcleo el que tuviese carga negativa. Asumió carga positiva en el núcleo como supuesto, "por mayor comodidad". La introducción del núcleo cargado positivamente y de los electrones girando llegaría pocos años después. De nuevo, una imagen distinta a la frecuente en educación. En ciencia un mismo modelo puede sufrir modificaciones antes de ser sustituido, algo que salvo el caso Bohr-Sommerfeld (cuando se menciona) suele ser desatendido por los libros de texto.

Experimento lámina de oro

En el célebre experimento de la lámina de oro se bombarderon finas láminas metálicas (de oro, pero también de otros metales como cobre, platino o plata) con partículas alfa observándose que la inmensa mayoría atravesaban la lámina sin desviarse (lo cual era de esperar desde el punto de vista del modelo de Thomson que asumía una distribución uniforme de masa-carga en el átomo). En torno a 1 de cada 10.000 partículas alfa se desviaba más de 10º al atravesar la lámina (según el modelo de Rutherford, aquellas que "pasaban cerca" del núcleo atómico) y aproximadamente 1 de cada 100.000 (o de cada 8.000 si la lámina es de platino) se desviaba más de 90º (según el modelo de Rutherford, aquellas que "se topaban" con el diminuto núcleo atómico). Fuente de la imagen: Los modelos atómicos en los libros de texto.

Asimismo, el experimento de la lámina de oro suele ser esgrimido como la victoria del modelo de Rutherford frente al modelo de Thomson. Por el contrario, diversos autores han señalado cómo Thomson trató de explicar la desviación de las partículas alfa al atravesar la lámina de oro en términos de desviaciones complejas. En un átomo con un número elevado de corpúsculos negativos cuya masa justificaba la masa total del átomo (se llegó a plantear que el átomo de hidrógeno pudiese tener hasta 1000 corpúsculos negativos), la acumulación de desviaciones sencillas por parte de una partícula alfa (para Thomson, agrupaciones atómicas formadas por unos 10-12 electrones) que atravesara la lámina era concebible. No obstante, hechos posteriores apoyaron la idea del núcleo atómico. Aspecto de gran interés pues muestra cómo los modelos atómicos no se sucedieron linealmente sino que convivieron y rivalizaron.

Estas son solo algunas de las muchas potencialidades didácticas de los aspectos históricos desatendidos por los libros de texto de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato, tal y como se ha publicado recientemente. Los modelos atómicos de las narrativas históricas escolares pueden llegar a distar significativamente de los modelos atómicos históricos. El estudio de las similitudes y divergencias entre modelos históricos y modelos didácticos constituye una línea de investigación histórico-didáctica de interés. Esto muestra cómo la didáctica de las ciencias puede encontrar en la historia de la ciencia modelos adecuados para la enseñanza de las ciencias. No obstante, el hilo narrativo que conecta dichos modelos suele estar cargado de triunfalismos y visiones idealizadas de la ciencia, cuestionables y cuestionadas por los historiadores de la ciencia. Así, desde la didáctica de las ciencias se ha subrayado la necesidad de repensar los modelos atómicos escolares y su nomenclatura, pues la alusión a los modelos históricos en los que se inspiran (que no a los que representan) puede inducir visiones deformadas de la historia de la ciencia. Asimismo, desde la historia de la ciencia se ha subrayado la necesidad de pensar nuevos usos de la historia de la ciencia en la enseñanza, algo también de interés para la comunicación. No solo por el interés didáctico que determinados materales divulgativos pueden tener para el profesorado; sino también porque divulgar socialmente el trabajo de los historiadores de la ciencia constituye una tarea todavía pendiente para los comunicadores de la ciencia y los, esperemos emergentes y más visibles, comunicadores de la historia de la ciencia.