II. LA HISTORIA DEL �TOMO: DE LOS GRIEGOS A FARADAY Y MAXWELL

II.1. INTRODUCCI�N

EN EL siglo V a. C., los griegos sugirieron que la materia est� compuesta de part�culas elementales indivisibles. Su intenci�n era explicar las propiedades de la inmensa variedad de sustancias encontradas hasta entonces con base en las de un n�mero reducido de materiales elementales. La esencia de estas sustancias, pensaban ellos, se encontraba presente aun en la cantidad m�s peque�a que se pudiese obtener: los �tomos (atomo= indivisible).

Los antiguos griegos tambi�n intentaron entender la naturaleza de la luz y de la electricidad, sin sospechar su conexi�n con la estructura de la materia. Discut�an sobre si la luz se transmite instant�neamente de su fuente al observador, o se transporta a una velocidad finita. En cuanto a la electricidad, Plat�n, en uno de sus Di�logos, habla de "las maravillas de la atracci�n del �mbar", refiri�ndose a una resina amarillenta que al ser frotada con piel atrae a objetos ligeros como el pelo (la palabra hlektron es la voz griega que significa �mbar). Otra fenomenolog�a conocida desde entonces era el magnetismo, bautizada as� en honor al material que presenta esta propiedad en forma natural: la magnetita.

En este cap�tulo se revisar� por separado la evoluci�n independiente de los conceptos de luz, electricidad y magnetismo hasta su fusi�n hacia fines del siglo XIX. Simult�neamente seguiremos el camino de la hip�tesis at�mica, con base en el progreso de la qu�mica durante el mismo periodo.

II.2. LA ELECTRICIDAD Y EL MAGNETISMO

La capacidad de la magnetita para orientarse con respecto a la tierra fascin� a los antiguos, quienes pronto pudieron aplicarla a la navegaci�n. Hacia fines del siglo XVI el ingl�s William Gilbert fue el primero en utilizar m�todos cient�ficos al estudio de la atracci�n que ejerce la magnetita sobre algunos metales y la repulsi�n que ejerce sobre s� misma en cierta orientaci�n. Gilbert mismo fue el primero en sugerir que la tierra posee un campo magn�tico.

En cuanto a la electricidad, aunque era un fen�meno menos �til, en la Edad Media ya se sab�a que, adem�s del �mbar, otros materiales como el vidrio y el copal mostraban propiedades el�ctricas. La variedad de estos materiales sugiri� que la electricidad no era una propiedad intr�nseca de las sustancias sino una especie de fluido que se produc�a o transfer�a al frotar o tocar unos materiales con otros. Sin embargo, tambi�n se observ� que la electrificaci�n no s�lo causaba la atracci�n sino la repulsi�n entre algunos objetos.

En 1773 el qu�mico franc�s Charles-Fran�ois de Cisternay Du Fay observ� que las limaduras de hierro, luego de estar en contacto con vidrio electrificado, se repel�an entre s�, aunque eran atra�das por otras que hab�an estado en contacto con resina electrificada. De ah� surgi� la idea de electricidad v�trea y electricidad resinosa como dos versiones diferentes del mismo fen�meno. Hacia 1745 el norteamericano Benjam�n Franklin lleg� a la conclusi�n de que se trataba de un solo tipo de fluido constituido por part�culas extremadamente peque�as.

En el modelo de electricidad de Franklin la materia se comportaba como una esponja capaz de absorber, contener y ceder part�culas de electricidad. As�, al frotar �mbar con piel, las part�culas pasaban del primer material al segundo y en forma opuesta cuando se frotaba vidrio con seda. Franklin se refer�a al exceso de electricidad como carga positiva, y carga negativa en el caso contrario. Un concepto impl�cito en estos razonamientos es el de la conservaci�n de la carga. Pronto se complementaron las ideas de Franklin con el postulado de que cuerpos cargados de un mismo signo se repelen entre s� y aquellos cargados de signos opuestos se atraen.

II.3. LA LUZ

En lo que se refiere a la luz, la antigua pol�mica sobre su velocidad permaneci� como un tema abierto durante muchos siglos. Una de las primeras evidencias sobre su magnitud finita fue presentada ante la Academia Francesa en 1666 por Ole Roemer, un dan�s radicado en Par�s que lleg� a ser tutor del delf�n. Roemer basaba su teor�a en la observaci�n astron�mica de los eclipses de una de las lunas de J�piter. Al igual que con los otros planetas, la Tierra se acerca y se aleja de J�piter en la medida en que recorre su �rbita. Las lunas de J�piter, en sus propias �rbitas, se ocultan (eclipsan) tras el planeta con una frecuencia constante. Luego de repetir varias veces las medidas del periodo de los eclipses de la primera luna de J�piter, Roemer observ� que se daban periodos m�s cortos cuando la Tierra se acercaba a J�piter que cuando se alejaba. Roemer atribuy� este efecto a la velocidad de la luz y estim� que �sta tardar�a 22 minutos en cruzar la �rbita terrestre. Desgraciadamente, dado que el di�metro de la �rbita terrestre era desconocido en ese entonces, Roemer no pudo dar un valor a la velocidad de la luz.

No s�lo la velocidad sino la naturaleza misma de la luz intrig� tambi�n a cient�ficos de todos los tiempos. A finales del siglo XVII, el ingl�s Isaac Newton consideraba que la luz consist�a en un haz de corp�sculos, mientras que otros como el holand�s Christian Huygens aseguraban que se trataba de un fen�meno ondulatorio. El principal argumento de la hip�tesis corpuscular era que la luz viaja en l�nea recta y proyecta sombras bien definidas, contrariamente al comportamiento de ondas como las de sonido que pueden rodear obst�culos. El principio de Huygens establece que, al igual que el sonido, la luz se propaga por frentes de onda. Las part�culas de este frente act�an como nuevas fuentes, con lo que causan que sus vecinas vibren con la misma frecuencia. Este modelo explica satisfactoriamente fen�menos como la refracci�n.

La refracci�n ocurre cuando la luz pasa de un medio a otro de diferentes propiedades �pticas y su manifestaci�n m�s com�n es la impresi�n de que los objetos rectos, como un l�piz, se doblan al ser sumergidos parcialmente en el agua. El �ngulo al que parecen doblarse los objetos se conoce como �ngulo de refracci�n. Este fen�meno hab�a interesado ya a Ptolomeo, quien en el siglo II not� que el �ngulo de refracci�n depend�a de los materiales sobre los cuales se hac�a incidir la luz, y al �rabe Al Hazen, quien, a fines del siglo X, dedujo varias relaciones geom�tricas importantes entre el �ngulo de la luz incidente, el de refracci�n y el plano de la superficie de contacto entre los medios. El tratado de �ptica de Al Hazen fue posteriormente traducido al lat�n y era un texto conocido cuando en 1621 el holand�s Willebord van Roijen Snell encontr� que el cociente entre el seno del �ngulo de incidencia y el seno del �ngulo de refracci�n es una constante caracter�stica del medio, que se denomina �ndice de refracci�n. Posteriormente el abogado y gran matem�tico franc�s Pierre Fermat dedujo la ley, hasta entonces emp�rica de Snell, suponiendo que exist�a una diferencia en la velocidad de propagaci�n de la luz en cada medio.

El argumento de Fermat considera la trayectoria que seguir�a la luz para viajar de un punto (A) en un medio en que su velocidad (V) es mayor, a otro punto (B) en un medio en el que la velocidad de la luz (V') es menor (v�ase figura 1).

Figura 1. Principio de Fermat. La luz viaja de A a B siguiendo la trayectoria que minimiza el tiempo.

La hip�tesis de Fermat es que la trayectoria preferida ser�a aquella en que la luz tardase menos en llegar de A a B. T�mese como ejemplo el paso de la luz del aire al agua. Si denotamos como P al punto intermedio en que la trayectoria corta la superficie del agua, es claro que V = V' implica que A, P y B est�n alineados. Sin embargo, si V es mayor que V', para hacer m�s corto el tiempo de recorrido conviene aumentar la longitud de la trayectoria en el aire y disminuirla en el agua donde viaja m�s despacio. Es decir, el segmento AP ser�a mayor que en el caso V = V' y el PB menor. Por lo anterior, A, P y B no estar�n alineados y el cociente entre el seno de los �ngulos que forman AP y PB con la perpendicular a la superficie del agua en el punto P resulta ser igual al cociente V/V' que es el �ndice de refracci�n de Snell.

La hip�tesis corpuscular fue sostenida en 1644 por el fil�sofo franc�s Ren� Descartes, y posteriormente por Newton, quienes explicaban el fen�meno de la refracci�n como el efecto de una fuerza, de atracci�n en el caso del paso de aire a agua, que s�lo actuaba sobre las part�culas de luz durante el instante en que �stas cambiaban de medio. Esta fuerza, perpendicular a la superficie que separa a los medios, provocaba una aceleraci�n en las part�culas. Es decir, seg�n el modelo corpuscular descrito por Newton en su trabajo Optiks, publicado en 1704, la velocidad de la luz deber�a ser mayor en el agua que en el aire. Por otra parte, la explicaci�n que da Huygens en su Trait� de la Lumi�re, publicado en 1690, implica que las ondas luminosas viajan a mayor velocidad en el aire que en el agua. Bastar�a entonces con medir la velocidad de la luz en ambos medios para resolver el problema. Sin embargo, pas� mucho tiempo antes de que esto ocurriera. Mientras tanto, la qu�mica dio un paso enorme en el entendimiento de la estructura de la materia.

II.4. DALTON Y LOS PESOS AT�MICOS

Hacia 1802 el ingl�s John Dalton encontr� ciertas relaciones entre las masas de una gran variedad de elementos. Nacido en 1766, hijo de un tejedor, a principios del siglo XIX encontr� que las cantidades relativas de elementos necesarias para formar un compuesto qu�mico son siempre las mismas. Por ejemplo, para formar agua son necesarios ocho gramos de ox�geno por cada gramo de hidr�geno. Cualquier excedente de alguno de los componentes queda sin reaccionar. Seg�n Dalton, estas proporciones constantes indicaban que, si el agua estaba compuesta de part�culas —que ahora llamamos mol�culas— cada una de las cuales consist�a en un �tomo de hidr�geno y uno de ox�geno, entonces la relaci�n ocho a uno indicar�a que el �tomo de ox�geno pasaba ocho veces m�s que el de hidr�geno. Dalton llam� a este n�mero (ocho) el peso at�mico del ox�geno, como una medida relativa al hidr�geno¹ Dalton hizo notar tambi�n que las masas de los elementos eran muy cercanas a m�ltiplos enteros de la del hidr�geno, lo que indujo al m�dico ingl�s William Prout a proponer, en 1815, que todos los elementos qu�micos estaban constituidos por n�meros enteros de �tomos de hidr�geno.

En 1808 el franc�s Joseph Luis Gay-Lussac descubri� que, adem�s de la proporci�n en los pesos encontrada por Dalton, los gases se combinan de acuerdo con una relaci�n de vol�menes fija. Por volumen Gay-Lussac se refer�a al gas contenido en un mismo recipiente en id�nticas condiciones de presi�n y temperatura. Siguiendo con nuestro ejemplo, dos vol�menes de hidr�geno se combinan con uno de ox�geno para formar dos vol�menes de vapor de agua.

II.5. AVOGADRO Y LAS MOL�CULAS

Amadeo Avogadro, profesor de la Universidad de Tur�n, interpret� en 1811 los resultados de Gay-Lussac diciendo que dos vol�menes de gas en id�nticas condiciones de presi�n y temperatura conten�an el mismo n�mero de part�culas del gas, a las que bautiz� como mol�culas. Entonces, el hecho de que dos vol�menes de hidr�geno se combinen con uno de ox�geno para formar agua indica que la mol�cula de agua contiene el doble de �tomos de hidr�geno que de ox�geno, pero �por qu� el resultado son dos vol�menes de vapor de agua y no uno? Avogadro encontr� que esto se deb�a a que, en condiciones normales, el gas de hidr�geno y el de ox�geno est�n compuestos de mol�culas que contienen dos �tomos (que �l denomin� mol�culas elementales). De esta manera se introdujo el concepto de peso molecular, como la suma de los pesos at�micos de los elementos que componen la mol�cula.

Avogadro utiliz� su idea de un n�mero constante de part�culas en un mismo volumen de cualquier gas, a temperatura y presi�n fija, para deducir la f�rmula qu�mica de una serie de compuestos qu�micos. En esta labor fue conveniente utilizar como unidad de medida el mol, que es el n�mero de gramos de un compuesto, igual a su peso molecular. Por ejemplo, un mol de agua pesa 18 gramos (2 de los dos �tomos de hidr�geno y 16 del �tomo de ox�geno). El n�mero de mol�culas por mol, de acuerdo con Avogadro, debe ser siempre el mismo, independientemente de la complejidad de la mol�cula. A este n�mero se le conoce como n�mero de Avogadro, a pesar de que �l nunca supo su magnitud. Pas� m�s de medio siglo antes que alguien lograra tener una idea exacta del enorme valor de la f�rmula: 6.02 X 10²³ mol�culas/mol²

Siguiendo la receta de Avogadro fue posible deducir la f�rmula qu�mica de un gran n�mero de compuestos. Durante el resto del siglo XIX, estas f�rmulas sirvieron para deducir relaciones entre los pesos at�micos (relativos al hidr�geno) de los elementos que forman los compuestos, tal como Dalton pretendi� hacer en un principio. Como confirmaci�n de las ideas de Avogadro, se encontr� que el peso at�mico de un mismo elemento contenido en diferentes compuestos qu�micos es siempre el mismo. Si la hip�tesis de Avogadro fuera err�nea, las f�rmulas qu�micas que de ella se derivaron dif�cilmente dar�an resultados consistentes respecto a los pesos at�micos. El �xito del m�todo para predecir las proporciones necesarias en la preparaci�n de compuestos qu�micos sirvi� de apoyo a los pocos f�sicos y qu�micos que, hacia finales del siglo, aceptaban la existencia de los �tomos.

II.6. MENDELEV Y LA TABLA PERI�DICA

La idea de que las mol�culas son combinaciones de n�meros enteros de �tomos origin� el concepto de valencia. La valencia de un elemento se define como el n�mero de pesos at�micos de hidr�geno, o de cualquier otro elemento de valencia unitaria, que se combinan con ese elemento para formar un compuesto. Por ejemplo, la valencia del ox�geno es dos. Luego de determinar la valencia de todos los elementos conocidos, los qu�micos del siglo XIX empezaron a encontrar que las propiedades qu�micas de los elementos estaban relacionadas con esa valencia. Por ejemplo, una de las familias de elementos de valencia unitaria incluye al fl�or, al cloro, al bromo y al yodo, que son gases corrosivos, que reaccionan con metales para formar sales cristalinas. Otra familia de elementos de valencia unitaria incluye el litio, sodio y potasio, que son metales que reaccionan violentamente al contacto con el agua.

Los esfuerzos por clasificar elementos en familias de acuerdo con sus propiedades se intensificaron hacia la segunda mitad del siglo pasado. Por ejemplo, en 1863 el ingl�s J. A. R. Newlands hizo una tabla c�clica en la que acomodaba los elementos de acuerdo con su peso, utilizando el hecho, por entonces ya establecido, de que los elementos cuyos pesos at�micos difieren en ocho unidades muestran propiedades qu�micas muy parecidas entre s�.

En 1869 el qu�mico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleev propuso una tabla en la que agrupaba a los elementos de acuerdo con sus propiedades f�sicas y qu�micas, su valencia y su peso at�mico. La tabla de Mendeleev agrupaba a los elementos en 17 columnas, cada una con una familia que pose�a propiedades qu�micas muy parecidas. En 1871, Mendeleev modific� su tabla peri�dica reduci�ndola a s�lo ocho columnas. Un detalle interesante en este trabajo fue que al acomodar los elementos en la nueva tabla quedaban seis espacios vac�os. Si ten�an validez los arreglos de Mendeleev, se pod�a considerar como una predicci�n la existencia de elementos a�n no descubiertos que deb�an llenar los espacios en blanco. Tres de esos elementos (escandio, galio y germanio) fueron descubiertos poco tiempo despu�s y mostraban propiedades muy parecidas a las predichas por Mendeleev. De los otros tres, el renio y el polonio fueron descubiertos hacia fines del siglo XIX y el tecnecio s�lo fue descubierto en reacciones nucleares a mediados de nuestro siglo. La capacidad predictiva de la tabla peri�dica reforz� la confianza en la teor�a at�mica. Mendeleev, nacido en Siberia en 1834, adem�s de su aportaci�n a la qu�mica, ten�a ideas revolucionarias en agronom�a y en pol�tica, al punto de que se gan� enemigos importantes en el gobierno ruso de aquel entonces.

II.7. FARADAY Y LOS IONES

Una propiedad que liga claramente a la materia con la electricidad, tambi�n descubierta a principios del siglo XIX, se refiere a la disociaci�n de compuestos qu�micos por corrientes el�ctricas en un proceso conocido como electr�lisis. Este proceso fue descubierto accidentalmente en 1800 por William Nicholson y Antony Carlisle mientras estudiaban la operaci�n de bater�as el�ctricas. Utilizando gotas de agua para mejorar el contacto el�ctrico de una bater�a, notaron que se produc�an burbujas. Luego, al estudiar con m�s cuidado el fen�meno, se dieron cuenta de que cerca de la terminal negativa de la bater�a el gas liberado era hidr�geno, mientras que en el lado positivo se produc�a ox�geno. Pronto se estudi� la disociaci�n de otros compuestos utilizando este m�todo. Uno de los trabajos m�s extensos realizados en este campo fue el de sir Humphrey Davy, quien con la ayuda de la electr�lisis descubri� los elementos sodio y potasio al someter ciertas soluciones salinas a la acci�n de corrientes el�ctricas.

La primera interpretaci�n aceptable de esta fenomenolog�a fue desarrollada por el c�lebre Michael Faraday en la d�cada de 1830. Nacido en 1791, el joven Faraday trabaj� como encuadernador de libros, mismos que aprovechaba para educarse. En 1812, lleno de inquietudes, Faraday concurs� por una plaza de ayudante en el laboratorio de Davy, quien qued� tan impresionado que lo contrat� inmediatamente. Diecinueve a�os m�s tarde, Faraday lo sustituy� como director del laboratorio.

En sus experimentos, Faraday encontr� que los productos de la electr�lisis siempre aparec�an en una proporci�n fija. Por ejemplo, al pasar una corriente el�ctrica por una muestra de agua, se obtienen ocho partes de ox�geno por una de hidr�geno. Tambi�n observ� que una carga el�ctrica fija cedida en la electr�lisis produc�a cantidades constantes de elementos disociados. Faraday denomin� iones a los productos de la disociaci�n y, m�s espec�ficamente, aniones y cationes seg�n si �stos eran colectados en la vecindad del �nodo —la terminal positiva— o del c�todo —terminal negativa—. Esta nomenclatura se utiliza hoy todav�a.

Faraday, de acuerdo con la teor�a at�mica, dedujo que deber�a existir una cantidad irreducible de carga necesaria para disociar un compuesto. La carga utilizada en producir las cantidades observadas de hidr�geno u ox�geno a partir de agua, por ejemplo, era un m�ltiplo de la unidad electrol�tica de carga b�sica.

Dada la poca precisi�n de los aparatos desarrollados hasta entonces, a Faraday le era imposible deducir el valor de la carga necesaria para ionizar una sola mol�cula a trav�s de la electr�lisis, es decir, de la unidad electrol�tica de carga. Esta situaci�n era similar a la que hab�a enfrentado Dalton con la masa de los �tomos. Por lo tanto, Faraday, al igual que Dalton, se concret� a establecer relaciones entre las cantidades de elementos producidos por electr�lisis con una carga fija. De esta manera determin� que la carga el�ctrica para producir un mol de cualquier material es 96 850 coulombs,³ unidad ahora conocida como constante de Faraday o simplemente Faraday. Si el n�mero de Avogadro nos indica la cantidad de mol�culas contenidas en un mol, su conocimiento habr�a permitido obtener directamente la masa y la carga de una mol�cula a partir de los hallazgos de Dalton y Faraday, respectivamente. Sin embargo, incluso sin esa informaci�n, el cociente entre el faraday y la masa de un mol de hidr�geno permiti� entonces saber la relaci�n entre la carga m�s elemental y la masa m�s elemental, que result� ser 1.044 X 10^-8 kg/coulomb.

II.8. LA LUZ COMO UNA ONDA

Otro tema que interes� a Faraday —en el que hizo una de sus m�s grandes aportaciones— fue la naturaleza de la luz. Como se recordar�, a principios del siglo XVIII dos grandes de la f�sica, Newton y Huygens, basados en concepciones diferentes, hab�an llegado a predicciones que se contradec�an en cuanto a la velocidad de la luz en diferentes medios. Esta discrepancia tan clara daba una oportunidad para discernir entre las concepciones corpuscular y ondulatoria de la luz.

Pasaron m�s de cien a�os hasta que el f�sico franc�s Armand Fizeau hizo la primera medida precisa de la velocidad de la luz en el aire. Utilizando un espejo semitransparente, desde su casa en el barrio de Suresnes en Par�s, Fizeau dirigi� un haz de luz hacia un espejo colocado a m�s de ocho kil�metros en la punta del cerro Montmartre.Observando el reflejo distante a trav�s del mismo espejo semitransparente, Fizeau interrumpi� el haz por medio de un engrane giratorio, con cuyos dientes se produc�a un haz intermitente. Cuando el tiempo que tardaba la luz en ir y volver a Montmartre era igual al tiempo de giro necesario para el avance de un diente, los destellos desaparec�an por completo. Una simple relaci�n geom�trica le permiti�, en 1849, deducir que la velocidad de la luz era de 313 000 km/seg. Posteriormente, en 1862, ayudado ahora por su asistente Jean B. L. Foucault, el cual sustituy� el engrane por un espejo rotatorio, obtuvo un valor un poco menor de 298 000 km/seg, que es apenas un 1% diferente del m�s preciso obtenido en nuestros d�as. El propio Foucault determin� que la velocidad de la luz en el agua es menor que en el aire, de acuerdo con la predicci�n de la teor�a ondulatoria apoyada por Huygens, con lo que se dio un duro golpe a la concepci�n corpuscular de la luz.

Otros fen�menos que ilustraban el comportamiento ondulatorio de la luz son la difracci�n y la interferencia. Los efectos de difracci�n fueron observados en el siglo XVII por Grimaldi, profesor de matem�ticas en la Universidad de Bolonia. Sin embargo, el primer estudio sistem�tico de este fen�meno se debi� al franc�s Augustin Jean Fresnel a principios del siglo XIX. Un patr�n de difracci�n se puede obtener al observar luz a trav�s del espacio entre los dedos de nuestra mano. Cuando �stos est�n casi juntos, aparece en la imagen una serie de franjas obscuras. Fresnel explic� este fen�meno utilizando la formulaci�n de Huygens. En 1803, Thomas Young mostr� el fen�meno de interferencia de la luz, utilizando una fuente de luz puntual y una pantalla entre las que interpon�a una l�mina con dos peque�os orificios. La imagen proyectada mostraba claramente un patr�n de interferencia formado por franjas iluminadas. Tanto Young como Fresnel consideraban a la luz como una onda transversal, igual que las oscilaciones de una cuerda de guitarra. Esto permiti� tambi�n explicar ciertos fen�menos debidos a la polarizaci�n de la luz.

II.9. EL ELECTROMAGNETISMO

Hacia principios del siglo XIX la idea de que la luz es producto de un fen�meno ondulatorio prevalec�a sobre la concepci�n corpuscular. Sin embargo, poco se sab�a acerca de su naturaleza y nadie sospechaba su estrecha relaci�n con los fen�menos electromagn�ticos. Tanto la electricidad como el magnetismo reflejan su acci�n en fen�menos como la atracci�n o repulsi�n de cuerpos cargados o imanes. En 1785, el franc�s Charles-Augustin Coulomb demostr� que la fuerza entre cargas y entre imanes es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. En 1820 el dan�s Hans Christian Oersted, profesor de f�sica en la Universidad de Copenhague, durante una de sus clases se percat� de que la direcci�n que indica una br�jula se ve afectada al hacer pasar una corriente el�ctrica por un alambre cercano. Por aquellas fechas varios investigadores buscaban alguna relaci�n entre la electricidad y el magnetismo, pero a nadie se le hab�a ocurrido acercar un im�n tan ligero a un alambre o a una bobina. Oersted, intrigado, estudi� m�s a fondo el fen�meno. La fuerza entre el im�n y el alambre aumentaba con la corriente el�ctrica, y se invert�a al cambiar el sentido de la corriente. Tambi�n observ� que la fuerza se sent�a en el alambre, como si se tratara de dos imanes. Oersted public� sus resultados en julio de 1820, y en septiembre dio una pl�tica en Par�s ante una audiencia que inclu�a a Andr� Marie Amp�re, profesor de matem�ticas de la �cole Polyt�chnique. Una semana despu�s, el propio Amp�re anunciaba que las fuerzas de Oersted tambi�n actuaban entre dos alambres que acarrearan corriente el�ctrica.

Volviendo a Faraday, en 1831 �l buscaba demostrar que si una corriente el�ctrica afecta a un im�n, entonces el im�n deber�a afectar a la corriente. Con este prop�sito, primero rode� imanes con alambres, sin encontrar ning�n efecto. Posteriormente utiliz� dos bobinas, una conectada a una bater�a y otra a un medidor de corriente. Con este arreglo Faraday not� que mientras que la corriente flu�a uniformemente por la primera bobina, no se registraba ninguna corriente en la segunda, la cual s�lo indicaba alguna reacci�n al conectar o desconectar el circuito de la primera. Pronto se dio cuenta de que el mismo efecto era v�lido para un im�n permanente y un alambre. Al mover el im�n, el alambre registraba una corriente. Observaciones similares y aparentemente independientes fueron reportadas por el norteamericano Joseph Henry en 1832.

En 1846 Faraday observ� que el plano de oscilaci�n (polarizaci�n) de un haz de luz pod�a ser modificado por campos magn�ticos intensos. Esto mostraba por primera vez alguna relaci�n entre la luz y el electromagnetismo. Faraday mismo sugiri�, con base en lo anterior, que la luz podr�a consistir en oscilaciones transversales a las l�neas de fuerza el�ctrica o magn�tica. Seg�n esto, el origen de la luz deber�a consistir en alg�n tipo de vibraci�n el�ctrica dentro del cuerpo que emite la luz. En uno de sus �ltimos experimentos, Faraday expuso una flama de sodio a la acci�n de un campo magn�tico para buscar alg�n efecto sobre el espectro luminoso, pero no logr� observar cambio alguno. Como veremos m�s adelante, un experimento similar dio a Zeeman el Premio Nobel a�os m�s tarde.

II.10. MAXWELL Y LA LUZ

Por estas �pocas aparece en escena uno de los f�sicos te�ricos m�s notables de todos los tiempos: James Clerk Maxwell. Nacido en 1831 en el seno de una familia acomodada, Maxwell recibi� una educaci�n esmerada; tuvo como maestros a los mejores matem�ticos ingleses de su �poca. Su posici�n econ�mica le permiti� renunciar a los 34 a�os a su cargo de profesor en el King's College de Londres para dedicar mayor tiempo a la investigaci�n. Su obra expresa, en t�rminos matem�ticos de gran elegancia, teor�as sobre temas como la termodin�mica y la teor�a cin�tica de los gases. Poco antes de dejar el King's College public� su trabajo Teor�a din�mica del campo electromagn�tico y, a�os despu�s, su Tratado de electricidad y magnetismo, en el que reduce a cuatro ecuaciones fundamentales su teor�a, la cual describe precisamente la fenomenolog�a de Faraday y otros. Las ecuaciones de Maxwell representan el conjunto de condiciones que determinan el campo electromagn�tico.

Probablemente motivado por la sugerencia de Faraday sobre la naturaleza de la luz, Maxwell consider� la propagaci�n de un campo el�ctrico que oscila senosoidalmente y en forma perpendicular a un campo magn�tico que var�a en la misma forma. Sus ecuaciones predicen que ambas ondas se propagan simult�neamente, en fase y a una velocidad, en el vac�o, de 3 X 10⁸ m/seg. Este resultado, que s�lo depende de propiedades el�ctricas asociadas al vac�o, coincid�a con el valor obtenido por Foucault para la velocidad de la luz en el vac�o. Con base en esto, Maxwell propuso que la luz es una onda electromagn�tica.

La producci�n de ondas electromagn�ticas a partir de cargas oscilantes fue comprobada en 1887 por el f�sico alem�n Heinrich Hertz al producir descargas entre esferas cargadas. Hertz obtuvo ondas con longitudes de hasta 60 cm, que reflejaba, afocaba y hac�a interferir utilizando espejos met�licos. Pronto sus estudios encontraron aplicaci�n al permitir enviar se�ales a distancia. Este es el origen del tel�grafo inal�mbrico, de la radio, la televisi�n, y las comunicaciones modernas en general.

II.11. RESUMEN

Hasta el siglo XVIII, los hallazgos m�s importantes en la b�squeda de respuestas a las interrogantes de los griegos fueron principalmente en el entendimiento de los fen�menos el�ctricos y magn�ticos (secci�n II.2) por una parte, y de la luz (secci�n II.3) por la otra. En cuanto a la constituci�n de la materia, durante m�s de dos mil a�os la alquimia permaneci� dominada por brujos y charlatanes, con lo que se obscureci� la labor de unos pocos que lograron sistematizar algunas reacciones qu�micas simples. El trabajo de John Dalton sobre los pesos at�micos (secci�n II.4), a principios del siglo XIX cambi� ese panorama y sent� las bases para el establecimiento de la qu�mica como una ciencia (secciones II.5-7), con el consiguiente fortalecimiento de la teor�a at�mica. Otro paso fundamental ocurrido durante el siglo XIX fue la unificaci�n de los fen�menos el�ctricos y magn�ticos, en una descripci�n que acab� de explicar la naturaleza misma de la luz (secciones II.8-10).