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¿Pueden ser dos átomos iguales?

¿Pueden ser dos átomos iguales?

  
 
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La teoría atómica es una teoría científica sobre la naturaleza de la materia, que sostiene que esta está compuesta de unidades llamadas átomos.
A principios del siglo XIX, John Dalton postuló su teoría atómica en la que consideraba que los átomos eran indivisibles y por tanto, en cierto modo, eran partículas elementales.
Pero nuevos avances revelaron que los átomos no eran ni mucho menos indivisibles, sino que estaban formados por partículas más pequeñas: los protones, neutrones y electrones.
A partir de los años 1970, se vio que los protones y neutrones son partículas compuestas de otras todavía más simples, los quarks.

Hoy en día, lo que la ciencia baraja, es lo siguiente (y no voy a profundizar, porque es algo lioso):
Un átomo está constituido por un núcleo central muy denso, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativamente grande.
El núcleo está compuesto de uno o más protones (y normalmente, un número similar de neutrones). Más del 99,94 % de la masa del átomo, está en el núcleo.
El número de protones en el núcleo, define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los átomos de cobre contienen exactamente 29 protones.

Cada átomo tiene también uno o más electrones, que son atraídos por el núcleo atómico debido a la fuerza electromagnética. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva (y mayor será la energía necesaria para que escape).
Un electrón no tiene componentes o subestructura conocidos, por lo que se lo considera una partícula elemental (y se dice que todos los electrones, son exactamente iguales). Actualmente, el nombre partícula elemental se usa para las partículas que, hasta donde se sabe, no están formadas por componentes más simples.

Los átomos pueden unirse a otros átomos mediante enlaces químicos (en los cuales, se comparten los electrones de dichos átomos), para formar compuestos químicos tales como las moléculas.

Los electrones no giran exactamente en órbitas circulares de forma continua (como vemos en los libros de texto), sino que se les asigna unas zonas del espacio en las que la probabilidad de encontrarlos, es máxima (llamadas orbitales). Estos orbitales son funciones matemáticas que indican una zona del espacio donde es muy probable encontrar un electrón, pero... ¿Es imposible encontrar electrones fuera de esa zona? No, es posible (pero improbable).

Vamos a afrontar la pregunta del título del vídeo: ¿Pueden ser dos átomos iguales? ¿Son idénticos dos átomos de un mismo elemento, por ejemplo?

No. Dos átomos del mismo elemento químico, no son idénticos.
En primer lugar, existe un rango de posibles estados que los electrones de un átomo pueden ocupar. Dos átomos del mismo elemento pueden ser diferentes, si sus electrones están en diferentes estados. Esta configuración electrónica es importante ya que determina las propiedades de combinación química de los átomos (y por lo tanto, su posición en la tabla periódica de los elementos).
Los enlaces químicos se forman ganando, cediendo o compartiendo electrones para alcanzar configuraciones electrónicas estables.

Pero, ¿qué ocurre si dos átomos del mismo elemento, tienen sus electrones en los mismos estados? Entonces, ¿serían idénticos?
No, tampoco lo serían. Dos átomos del mismo elemento y en el mismo estado electrónico, podrían estar viajando o girando a diferentes velocidades, lo que afecta su capacidad para unirse químicamente. Los átomos de movimiento más lento (como los átomos de hierro sólido), tienen tiempo para formar enlaces estables, mientras que los átomos que se mueven más rápido (como los átomos en el hierro líquido), no pueden formar enlaces tan estables.

Pero, ¿qué ocurriría si dos átomos del mismo elemento tienen sus electrones en los mismos estados y los átomos viajan y giran a la misma velocidad? Entonces, ¿serían idénticos?
Nuevamente, no. Aunque dos de tales átomos son esencialmente químicamente idénticos (reaccionarán químicamente de la misma manera), no son completamente idénticos. Hay más en el átomo que los electrones. También está el núcleo. El núcleo de un átomo contiene neutrones y protones unidos estrechamente. El mismo elemento químico puede tener un número diferente de neutrones y aún ser el mismo elemento. Me refiero a los átomos del mismo elemento con diferentes números de neutrones, llamados "isótopos". Si bien el isótopo involucrado no afecta a cómo reaccionará un átomo químicamente, sí determina cómo se comportará el átomo en las reacciones nucleares.

Pero, ¿qué ocurriría si dos átomos son el mismo elemento, tienen electrones en el mismo estado, viajan y giran a la misma velocidad y tienen el mismo número de neutrones? Entonces son ellos idénticos?
No, tampoco. Al igual que los electrones, los neutrones y protones en el núcleo pueden estar en varios estados. Además, el núcleo como un todo puede rotar y vibrar a varias velocidades. Por lo tanto, incluso si todo lo demás es idéntico, dos átomos de por ejemplo oro, pueden tener sus núcleos en diferentes estados excitados y comportarse de manera diferente en reacciones nucleares.

Para resumir: Es muy difícil que dos átomos del mismo elemento sean exactamente idénticos. De hecho, tener éxito en persuadir a un grupo de átomos para que estuvieran muy cerca de ser idénticos, sería algo digno de un Premio Nobel.

Dicho esto, no penséis que todo esto es un misterio paranormal inescrutable: Si dos átomos están exactamente en los mismos estados moleculares, atómicos, electrónicos y nucleares, entonces esos dos átomos serían idénticos (aunque si os digo la verdad, veo muy difícil que pase algo así).

Para terminar os quiero hablar de la película "A boy and his atom":

Para este cortometraje, se usó un microscopio de efecto túnel (que es un instrumento usado para tomar imágenes de superficies, a nivel atómico). Utilizando una aguja de cobre, se manipularon moléculas de monóxido de carbono sobre un sustrato de cobre a una distancia de 1 nanómetro. Cada fotograma mide 45 por 25 nanómetros, y los átomos fueron aumentados 100 millones de veces. El equipo creó 242 fotogramas usando 65 moléculas de monóxido de carbono, que fueron animados mediante técnicas de stop motion.
Las moléculas permanecen en su lugar, porque forman un enlace con el sustrato gracias a una temperatura extremadamente baja. El componente de oxígeno de cada molécula se muestra como un punto cuando es fotografiado por el microscopio efecto túnel, permitiendo la creación de imágenes compuestas de muchos de estos puntos. Cuesta de creer, pero este equipo de científicos de IBM Research, lograron entrar en el Libro Guinness de los récords, por haber realizado la película más pequeña jamás creada.

¿Qué te parece esa película atómica?
¿Existirán dos átomos iguales?
¿Crees que ya hemos llegado a los componentes indivisibles, o todavía encontraremos cosas más pequeñas?

Fuentes:

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