Juguemos a construir átomos. Nos han enseñado que están formados por un núcleo con carga eléctrica “positiva” y en su exterior por electrones con carga “negativa.” Sabemos también que los núcleos están formados por protones (positivos) y neutrones (¡neutros!), quienes a su vez están formados de quarks y gluones, pero ignoremos eso por el momento. Nuestro juego, en este momento, solo considera núcleos positivos y electrones negativos.
Las reglas de nuestro juego son muy sencillas. Primera regla: cualquier átomo que construyamos debe ser eléctricamente neutro. Para construirlos, primero escogemos un núcleo con cierta cantidad de carga positiva. Luego incluimos un número de electrones tal que cancelen la carga positiva del núcleo escogido. Por ejemplo si escogemos un núcleo con una carga positiva de tres unidades (no nos preocupemos en este momento por el valor de las unidades, simplemente consideremos que nos ayudan a contar y cancelar), será necesario incluir tres electrones (cada uno con una unidad de carga negativa). Así, el átomo que formaremos con ese núcleo y esos tres electrones tendrá una carga final de cero, es decir, neutro.
Segunda regla: Los electrones se acomodarán en “capas” alrededor del núcleo y cada “capa” podrá contener un cierto número máximo de electrones: la primera puede tener hasta dos, la segunda hasta ocho, la tercera hasta dieciocho, etcétera. Por el momento no nos preocupemos por la razón, simplemente tomémoslo como una regla que el juego impone (sí existe una razón). Las “capas” disponibles están distribuidas mas o menos concéntricamente y separadas entre sí por distancias específicas (que tampoco nos explicamos en nuestro juego).
Tercera regla: Debemos ahorrar. Poner un electrón en una capa cuesta energía. Conforme la capa se “aleja” del núcleo, el precio es mayor. La regla consiste en que debemos acomodar los electrones de tal modo que gastemos el mínimo de energía.
Antes de complicar el juego veamos a dónde nos llevan estas tres simples reglas. Como primer intento escojamos un núcleo con carga de dos unidades positivas. Para satisfacer la primera regla escogemos dos electrones. Tomando en cuenta la segunda y tercera reglas, concluimos que los electrones deberán ser colocados en la primera capa.
Otro ejemplo: escogemos un núcleo con cuatro unidades de carga positiva que por lo tanto requerirá de cuatro electrones. ¿Cómo los acomodamos en las capas? Por la segunda regla solo podemos poner dos de ellos en la primera y por la tercera regla, los dos restantes quedarán en la segunda.
Un problemita para quien esté leyendo esto: Escojo un núcleo con 29 unidades positivas. ¿Cómo se distribuyen los 29 electrones requeridos en las diferentes capas?
La diferencia primordial entre los diferentes átomos conocidos es el número de cargas que los conforman y cómo se distribuyen en las diferentes capas. Los átomos que tienen capas “incompletas” se comportan muy diferente a aquellos que las tienen “llenas.” La vida como la conocemos, con toda la variedad de materiales y sustancias, es resultado de esos acomodos. Estas simple reglitas nos pueden ayudar a tener una idea (caricaturesca e incompleta si se quiere, pero creo que útil) de cómo se forman los diferentes átomos. Lo que me interesa resaltar es que dada una cantidad de carga positiva, las reglitas nos definen de manera única cuántos electrones deben ser incluidos y en cuántas capas. Resulta que las distancias entre capas y el número específico de electrones permitidos por capa son cosas que podemos entender y calcular, pero por el momento, en nuestro juego no nos vamos a preocupar por ello.
Algo que sí quiero hacer es complicar un poquito el juego para describir algo muy interesante. Supongamos que el juego nos permite, una vez construido un átomo, “calentarlo,” es decir, nos permite hacerlo vibrar inyectándole energía. Lo ponemos a vibrar y ello hace que los electrones adquieran energía adicional que, en principio, les podría permitir “brincar” a una capa mas cara (es decir, más alejada del núcleo). Recuerden que ir a una capa más alejada cuesta más. Entonces, si el “calor” que le damos a un electrón es suficiente para pagar el precio de una capa más alejada y, además, esa capa no está llena, es posible que, de repente y sin ningún aviso, el electrón gaste su energía adicional y se cambie a esa capa. Si ello sucede, decimos que el átomo está “excitado.” Una vez excitado, la regla de que al universo le gusta ahorrar, nos puede hacer pensar que el electrón que brincó y dejó un “hueco” disponible en la capa de abajo, o algún otro que ya se encontraba en la capa cara, pensará en (o deberá) regresarse y ocupar el “hueco.” Al hacerlo le sobrará energía y se deshace de ella emitiendo energía electromagnética, es decir emitiendo luz. Una luz con una energía correspondiente al precio de ir entre las capas. Mientras haya energía entrando al sistema, eso pasa una y otra vez en un zangoloteo interminable.
Como los precios de las capas (sus distancias entre sí) son únicas para cada átomo, la luz que emite cada átomo en estos zangoloteos es única. Así, si vemos la luz que viene de una estrella y la analizamos podemos, desde aquí, en nuestro planetilla y con este simple juego, determinar qué átomos forman la estrella. Impresionante ¿no?
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