¿La materia? No es fácil llegar a entenderla

Un átomo simple de un mismo elemento constituye, a su vez, una molécula simple del propio elemento. El oxígeno (O), hidrógeno (H), cloro (Cl), sodio (Na), cobre (Cu), hierro (Fe), plata (Ag) y el oro (Au), por ejemplo, son átomos de elementos simples y constituyen, al mismo tiempo, moléculas de cada uno de esos mismos elementos..

Átomo de cloro (Cl), cuyo número atómico es 17, de acuerdo con la suma total de electrones que posee. en sus tres órbitas (2 + 8 + 7 = 17) y átomo de sodio (Na), de número atómico 11, de acuerdo también. con la suma de la cantidad de electrones que posee (2 + 8 + 1 = 11). Como se puede apreciar, el cloro. posee 7 electrones en su última órbita, por lo cual es más propenso a captar el electrón que le falta para. completar ocho, mientras que el sodio, al tener sólo 1 electrón, es más propenso a cederlo.

Cuando los átomos de Cl y Na interaccionan por aproximarse suficientemente sus nubes electrónicas, existe un reajuste de cargas, porque el núcleo de Cl atrae con más fuerza los electrones que el de Na, así uno pierde un electrón que gana el otro.

El resultado es que la colectividad de átomos se transforma en colectividad de iones, positivos los de Na y negativos los de Cl. Las fuerzas electromagnéticas entre esos iones determinan su ordenación en un cristal, el Cl Na. Por consiguiente, en los nudos de la red existen, de manera alternativa, iones de Na e iones de Cl, resultando una red mucho más fuerte que en el caso de que las fuerzas actuantes fueran de Van der Waals. Por ello, las sales poseen puntos de fusión elevados en relación con los de las redes moleculares.

Fuerzas de van der Waals

Las moléculas de agua están formadas por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno separados 104,45° entre sí (H₂O). Estas moléculas se unen a su vez mediante un enlace llamado “por puente de hidrógeno”, formando una red molecular más compleja.

Dos de Hidrógeno y uno de Oxígeno

 Aclaración: los enlaces por puente de hidrógeno son susceptibles de darse cuándo en la molécula hay un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo electronegativo (como flúor, oxígeno o nitrógeno). Este atrae hacia sí mismo la nube electrónica del hidrógeno, descentralizándola y dejando a éste con una cierta carga positiva que a su vez atrae a un par de electrones libres de otro átomo cercano.

Hablemos de cuerpos.

Me referiré en primer lugar a los que constituyen nuestro entorno ordinario, que sería todo el entorno que abarca nuestro planeta. En segundo lugar considerare los demás cuerpos y objetos del universo. El análisis de muestras de esos diversos cuerpos ha puesto de manifiesto que, en función de la composición, los cuerpos pueden ser simples y compuestos. Los primeros son, precisamente, los llamados elementos químicos, a las que el insigne Lavoisier (conocido como padre de la química), consideró como el último término a que se llega mediante la aplicación del análisis químico.

 Una gran diversidad de minerales

Hoy sabemos que son colectividades de átomos isotópicos

La mayoría de ellos son sólidos y se encuentran en la naturaleza (nuestro entorno terráqueo) en estado libre o en combinación química con otros elementos, formando los diversos minerales.

La ordenación de los iones en las redes se manifiesta externamente en multitud de formas y colores. No obstante debo señalar que, aun siendo abundante esta variedad, no es tan rica como la que corresponde a los cuerpos vivos, tanto animales como vegetales. La explicación se basa en que el número de especímenes moleculares y su complejidad son mucho mayores que en el reino inorgánico.

Molécula de Carbono y de Silicio

Sería conveniente, salir al paso de una posible interpretación errónea.  Me refiero a que pudiera pensarse que los reinos que acabamos de mencionar constituyen clases disyuntas, esto es, sin conexión mutua. Y no lo digo porque esté considerando el hecho de que el carbono forma compuestos inorgánicos y orgánicos (lo que también hace el silicio), sino porque haya existido, y aún pueda existir, una conclusión, mejor conexión evolutiva del mundo inorgánico y el viviente que no se puede descartar, de hecho yo particularmente estoy seguro de ello. Estamos totalmente conectados con los ríos, las montañas y los valles, con la tierra que pisamos, el aire que respiramos y con todo el resto del universo del que formamos parte.

Nosotros, la parte del Universo que piensa y ha podido llegar, mirando, experimentando, atendiendo a los cambios de fases de la Naturaleza, que todo cambia y todo lo que es hoy mañana no será. Claro que, en todo existen unas reglas y, la Naturaleza no sería una excepción, se comporta siguiente unos patrones predeterminados que nos han permitido llegar a saber sobre la materia y su comportamiento.

Es mucho lo que tenemos que aprender del pasado

Si miramos hacia atrás en el tiempo, veremos como a una infinidad de hechos dispersos y de profundos pensamientos, nosotros, los seres humanos, siempre curiosos, pudimos llegar a saber y, de lo que aprendidos, procuramos dejar un registro de esos rumores del saber del mundo del que, de vez en cuando, hablamos aquí, y, que dicho sea de paso, la Física, la Vída, La Mente que nos llevó a compender y, el Universo mismo…ocuparon un gran espacio.

¡Es tan grande el Universo! Ni la mano más experta del pintor, ni los cinceles del diestros escultor, incluso ni nuestra “infinita” imaginación podrá nunca mostrar tanta belleza como en el Universo está presente. Es la Naturaleza, donde reside todo, donde todo podemos hallar, y, dónde, además, los misterios y secretos residen, y, precisamente por ello, en ella están las respuestas que tan insistentemente buscamos.

La teoría de Cairns Smith considera que el eslabón entre ambos mundos (orgánico e inorgánico) se halla localizado en los microcristales de arcilla. Mi teoría particular es que no hay eslabón perdido en dicha conexión, sino que es el tiempo el que pone en cada momento una u otra materia en uno u otro lugar. Ahora nos ha tocado estar aquí como ser complejo, pensante y sensitivo. El eón que viene nos puede colocar formando parte de un enorme árbol, de un monte, o simplemente estar reposando como fina arena en el lecho de un río.  Sin dudarlo,  y a pesar de todo, hay personas que formarán parte de un hermoso jardín perfumado y lleno de aromas que la brisa regalará a los que pasen cerca de allí.

El granito, por ejemplo, consiste básicamente en una mezcla de tres cuerpos compuestos: cuarzo, mica y feldespato. ¿Quién puede decir hoy lo que seremos mañana? o, a qué ámbito podremos pertenecer: ¿formaremos parte del lecho arenoso de un río de aguas claras y de discurrir rumoroso? o, ¿seremos parte de la superficie de una montaña?, o, ¿iremos a parar a una nueva estrella como aquella que formó los materiales a partir de los cuales pudimos surgir a la vida?

Somos Naturaleza y debemos procurar la plena simbiosis con ella. Si vamos en la dirección que “ella” nos indica, todo irá bien pero, si queremos remar contra la corriente del “mundo”, nuestras fuerzas nunca podrán vencer tan inmensa grandeza y, sólo obtendremos resultados muy negativos.

En todos los cuerpos que hemos estado considerando hasta ahora, las moléculas, los átomos o los iones se hallan situados en los nudos de la correspondiente red, así que, los electrones de esos individuos se encuentran también localizados en el entorno inmediato de esos lugares. Podríamos decir que la densidad electrónica es una función periódica espacial, lo que significa que al recorrer la red siguiendo una determinada dirección irían apareciendo altibajos, es decir, crestas y valles de la densidad electrónica.

La estructura de los cuerpos metálicos, así como las aleaciones, merecen una consideración especial. La estructura de los metales y aleaciones difiere de la de los demás cuerpos en un aspecto muy importante que consideraré a continuación.

Me refiero a que en los cuerpos metálicos existe una deslocalización de los electrones que están menos fuertemente enlazados en los correspondientes núcleos, es decir, de los electrones de valencia.

Vamos a precisar un poco. Supongamos, para fijar las ideas, que tenemos un trozo de plata metálica pura. En los nudos de la red correspondientes los átomos han perdido su electrón de valencia, pero ocurre que cada uno de estos electrones forma una colectividad que se halla desparramada o dispersa por todo el sólido. Una primera imagen de esta situación fue establecida por el gran físico italiano Enrico Fermi, por lo que se habla de un gas electrónico, llamado también de Fermi, que llenaría los espacios libres, es decir, no ocupados por los iones metálicos.

Este gas electrónico es el responsable de las propiedades metálicas, tales como el brillo, conductibilidades eléctrica y térmica, etc. La aplicación de la mecánica cuántica a la descripción del estado metálico conduce a la obtención del mapa de la densidad electrónica, o como decía antes, a las características de la información correspondiente.

Sin entrar en detalles que desviarían nuestra atención hacia otros conceptos fuera de los límites de lo que ahora estoy pretendiendo, utilizaré el mismo lenguaje que para las estructuras de núcleos y átomos.

                         Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas

Recordemos que en la sociedad de los nucleones y electrones existen las relaciones verticales y las de estratificación, que se manifiestan en las capas y sub.capas. En el caso de los metales tendríamos una colectividad de núcleos, arropados con sus capas cerradas, ocupando los nudos de la red; únicamente los electrones de valencia de cada átomo forman la colectividad del gas electrónico.

La pregunta que nos debemos hacer es: ¿estos electrones, en número igual por lo menos al de los átomos, se hallan estratificados? La respuesta es que sí. Existe una estratificación de estos electrones en las llamadas bandas.  El concepto de banda energética resulta de la consideración simultánea de dos aspectos: la cuantización energética (o la estratificación de los niveles energéticos en los átomos) y el grandísimo número de electrones existentes.  Este colectivo no podría ubicarse en un número finito y escaso de niveles.   Esta dificultad queda soslayada si se admite que cada uno de esos niveles atómicos de los n átomos que forman el cuerpo se funde en otros tantos niveles de cierta anchura donde ya pueden alojarse los electrones disponibles.

Esa fusión de los niveles atómicos da lugar a las bandas. Esta imagen equivaldría a considerar un metal como un átomo gigante en el que los niveles energéticos poseyeran una anchura finita.

En cuanto a la información que puede soportar un metal, podríamos señalar que sería parecida a la del correspondiente átomo, pero mucha más extendida espacialmente. Una información puntual, la del átomo, daría paso a otra espacial, si bien vendría a ser una mera repetición periódica de aquella.

                                            ¿Y los cuerpos que pueblan el resto del universo?

Cuando un cuerpo sobrepasa unas determinadas dimensiones, aparece algo que conocemos como fuerza gravitatoria y que se deja sentir en la forma que todos conocemos y que da lugar primeramente a la fusión de los diversos materiales que forman los cuerpos. Así, por ejemplo, en el cuerpo que llamamos Tierra, la presión crece con la profundidad, por lo que a partir de un determinado valor de ésta, aparece el estado líquido y con él una estratificación que trata de establecer el equilibrio hidrostático. Similar (en otro ámbito) al que ocurre en las estrellas.

En un sentido general, puede afirmarse que una estrella es todo objeto astronómico que brilla con luz propia. Ahora bien, de un modo más técnico y preciso, podría decirse que se trata de una esfera de plasma, que mantiene su forma gracias a un equilibrio de fuerzas denominado equilibrio hidrostático. El equilibrio se produce esencialmente entre la fuerza de gravedad, que empuja la materia hacia el centro de la estrella, y la presión que hace el plasma hacia fuera, que tal como sucede en un gas, tiende a expandirlo.

La presión hacia fuera depende de la temperatura, que en un caso típico como el Sol, se mantiene con el suministro de energía producida en el interior de la estrella. Por ello, el equilibrio se mantendrá esencialmente en las mismas condiciones, en la medida en que la estrella mantenga el ritmo de producción energética. Pero dicho ritmo, como se explica luego, cambia a lo largo del tiempo, generando variaciones en las propiedades físicas globales del astro, que se conocen como evolución de la estrella.

Dentro de nuestro sistema planetario se distinguen los planetas rocosos, hasta Marte y meteoritos inclusive, y el resto de ellos, desde Júpiter en adelante, incluido este. Estos últimos difieren esencialmente de los primeros en su composición. Recuérdese que la de Júpiter es mucho más simple que la de los planetas rocosos. Consta fundamentalmente de hidrógeno, helio, agua, amoniaco y metano, con un núcleo rocoso en su interior. El hidrógeno que rodea a este núcleo se encuentra en forma de hidrógeno atómico sólido.

Tanto Júpiter como Saturno tiene más de 50 “lunas” , Algunas son como pequeños mundos en los que, por sus características podría estar presente alguna clase de Vida

Los gigantes gaseosos tienen muchas lunas, algunas mayores que Mercurio y Plutón, los dos planetas más pequeños. También tienen anillos, aunque éstos son muy tenues, excepto en Saturno, que se extienden 273.000 km., más de dos veces el diámetro del planeta. Se componen de millones de bloques de hielo, el mayor de los cuales tiene 10 metros de diámetro: el tamaño de una casa pequeña.

Los cuatro pequeños planetas interiores, Mercurio, Venus, Tierra y Marte, son básicamente rocosos. Entre Marte y Júpiter hay millones de asteroides girando en torno al Sol. El más grande, Ceres,  sólo tiene 1.003 km. de diámetro.

También la composición del Sol (y todas las estrellas que brillan) es más simple que la de los planetas rocosos, su estado físico es el de plasma y su contenido está reducido (mayormente) a hidrógeno y helio. Más variedad de materiales existe en las estrellas supernovas, donde el primitivo hidrógeno ha evolucionado de la manera que expliqué en otra parte de este trabajo.

En cuanto a los derechos de la evolución estelar, enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros, señalaré que la composición de la primera es sencilla en cuanto al numero de “elementos” constituyentes; la segunda ya lo indica su propio nombre, constan de nucleones, particularmente neutrones que están fuertemente empaquetados (muy juntos) por la gravedad. Una estrella de neutrones puede tener una densidad superior a la del agua, en millones de veces y del mismo orden que la de los núcleos atómicos. El agujero negro es un fenómeno aparte, su inmensa fuerza gravitatoria es tal que ni la luz puede escapar de ella, es decir, su velocidad de escape es superior a 300.000 Km/s, y como según la relatividad nada es en nuestro universo superior en velocidad a la luz, resulta que nada podrá escapar de un agujero negro.

Comparación de tamaños entre la enana blanca IK Pegasi B (centro abajo), su compañera de clase espectral A IK Pegasi A (izquierda) y el Sol (derecha). Esta enana blanca tiene una temperatura en la superficie de 35.500 K.

Allí dentro, en el interior del agujero negro, no existen ni el tiempo ni el espacio; es como un objeto que estando en nuestro universo (deja sentir su fuerza gravitatoria y engulle estrellas), al mismo tiempo no está aquí para nuestros ojos. En verdad, un agujero negro, es un objeto extraño, no hemos podido llegar a comprenderlo bien y, de hecho, ni sabemos en qué se convierte aquella materia original de la estrella a partir de la que se formó. Cuando la Gravedad quedó como dueña y señora de la situación, comenzó a realizar su trabajo y contrajo la inmensa masa de la estrella más y más hasta hacerla desaparecer de nuestra vista, aquella materia primera, ¿qué será ahora? ¿qué estado será el suyo? Sabemos de los sólidos, líquidos, gaseosos, plasmas e incluso, materia de Quarks-Gluones pero, dentro de un Agujero Negro, en lo que llamamos Singularidad, ¿qué será la materia? Y, sobre todo, ¿en qué parte del universo está? sólo podemos sentir su presencia pero verla no.

¡Qué enigmas!

Espero que algún día, a medida que nuestros conocimientos evolucionen, a medida que nuestras tecnologías avancen, a medida que nosotros (también) avancemos en el proceso hace miles de años iniciado, podamos alguna vez, comprender lo que en realidad es un Agujero Negro en toda su magnitud, es decir, conocer completamente todos y cada uno de los interrogantes que ahora nos plantea.

¿La Materia?  Bueno, esa es otra de nuestras asignaturas pendientes y debemos llegar a comprenderla para poder asimilar como, a partir de la “materia inerte” hemos podido evolucionar hasta la “materia -no ya viviente- sino pensante”.

Nubes moleculares en Orión que son los materiales primigenios para complejidades futuras

Lo cierto es que podemos explicar unas galaxias captadas por el Hubble a más de 12.000 millones de años luz  del Sistema solar. Sin embargo, no podemos explicar esa maravilla que estándo con nosotros y formando parte de nuestro Ser (la más importante), está escondida en la más espesa niebla de nuestra ignorancia-

¡Qué misterios! ¡Es tan grande el Universo! Podríamos decir que dentro de él, todo puede ser posible…hasta que nosotros estemos aquí para comentar sobre todas estas cuestiones que, desde siempre despertaron nuestra curiosidad y de las que cada vez podemos dar más referencias a medida que nuestros ingenios espaciales nos hablan de sus secretos y nos descubren los misterios que las rodean. ¿Quién se podría imaginar hace ciento cincuenta años que había agujeros negros y estrellas de neutrones y cómo nacían a la vida y por qué.

emilio silvera

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