II. LA FÍSICA Y LA QUÍMICA DEL SIGLO XIX

SI DESEAMOS entender el experimento de Fleischmann y Pons, y determinar el lugar que ocupa en la ciencia actual, hemos de asomarnos a la historia del núcleo atómico y de los esfuerzos realizados para obtener su fusión. Así averiguaremos por qué se obtiene energía con la fusión, y cuáles son las posibles radiaciones que emanan del núcleo en este proceso. También deberemos ocuparnos de la electrólisis. Para situar estas historias en perspectiva, lo mejor es remontarnos al pasado y hacer un breve relato de la evolución de nuestras ideas sobre la estructura de la materia. Habremos, pues, de echar una ligera ojeada a la materia, resumiendo parte de lo que ya dijimos en los números 3 y 68 de esta colección.

Pondremos primero atención en ciertos aspectos de la física y la química del siglo pasado, para luego relatar la historia de algunos descubrimientos importantes: el electrón, la radiactividad y el núcleo. El modelo planetario clásico del átomo, insostenible, nos lleva entonces de la mano a la nueva mecánica, la cuántica. Con su ayuda, y con el encuentro del neutrón, podemos ya entender los principios básicos para aclarar la estructura del núcleo atómico, y con ellos la importancia de la fusión nuclear. Finalmente, si describimos algo de lo que es la electroquímica, nos será posible situar el experimento de Fleischmann y Pons en su justa dimensión.

Empecemos este rápido vistazo a la materia por el principio, esto es, los albores de la cultura occidental: la concepción griega del átomo. Las ideas atómicas del precursor Demócrito durmieron plácidamente durante muchos siglos, hasta que el químico inglés John Dalton las despertó, cuando ya comenzaba el siglo XIX. Con los átomos de Dalton se explicaba la ley de las proporciones múltiples, que había expuesto claramente en 1803. A diferencia de los de Demócrito, los átomos de Dalton resultaban del carácter experimental de la ciencia y sin duda lo reflejaban. Con ellos se lograba, por decirlo así, unir las ideas del padre de la química, Antoine de Lavoisier, con las del sabio griego.

Los químicos del siglo pasado confundían el concepto de molécula —que, hoy lo sabemos, es un conjunto de átomos— con el de átomo. La diferencia entre ambos conceptos finalmente se aclaró, y el químico ruso Dimitri Mendeleyev logró acomodar a los átomos en su bien conocida tabla periódica. Cuando descubrió huecos en su tabla, debidos a la ausencia de algunos átomos cuyas propiedades químicas podía predecir, Mendeleyev sugirió la existencia de seis elementos químicos desconocidos hasta entonces. Al encontrarse el galio, el escandio y el germanio, se empezó a completar la tabla de Mendeleyev con lo cual adquirió plena ciudadanía científica y el ruso se convirtió en el químico más famoso del mundo en esa época. Los otros tres elementos tardaron más tiempo en ser descubiertos; el renio y el polonio se encontraron a finales del siglo XIX y el tecnecio a mediados de nuestro siglo.

Mientras tanto, otros hombres de ciencia tampoco se dormían en sus laureles. El escocés James Clerk Maxwell sintetizó todo lo que se sabía por aquellos días sobre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Este conocimiento se hallaba hasta entonces disperso en varias leyes experimentales, debidas a Coulomb, Ampère y Faraday. Maxwell las unió al postular sus ecuaciones, que constituyen la base de la teoría electromagnética. Llegamos así a la segunda gran síntesis de la historia de la física. La primera fue la lograda por otro ciudadano británico, el gran Isaac Newton, quien unió la mecánica de los cuerpos celestes con aquella que rige el movimiento de los cuerpos en la Tierra. En la segunda síntesis, Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo.

En Alemania, entre tanto, se desarrollaba el estudio de la óptica y de la luz que emiten los elementos químicos. Usando un simple aparato, Kirchhoff y Bunsen descubrieron que cada elemento químico produce luz con un conjunto característico de frecuencias, que es como la huella digital de cada átomo. Lo misterioso del fenómeno llevó a los científicos a llamar al conjunto de frecuencias luminosas el espectro del átomo y, en consecuencia, al simple aparato se le dio el nombre de espectroscopio. Aun sin entender su origen, los químicos del XIX usaban los espectros como base del análisis químico cualitativo, pues la luz emitida por un compuesto cualquiera les permitía distinguir los elementos que lo forman. Fue así como la química pudo desarrollarse y avanzar en forma acelerada. Lo anterior es de hacerse notar, pues es un ejemplo más de algo nunca comprendido por los organismos que supuestamente apoyan hoy en día a la ciencia en los países del llamado Tercer Mundo: un conocimiento científico, por embrionario que sea, puede usarse en el avance tecnológico.

Además de la mecánica newtoniana, del electromagnetismo de Maxwell y de los átomos de los químicos, con todo y sus espectros y moléculas, la ciencia del siglo XIX desarrolló otra arma poderosa para el estudio de la materia y su estructura: la termodinámica. En ella desempeñan un papel fundamental conceptos como el de temperatura, el de energía interna de un cuerpo macroscópico y el de entropía, variable que en alguna forma mide el desorden que tienen estos cuerpos en sus diversos estados. Los sistemas macroscópicos pueden sufrir transformaciones, siempre sujetas a la primera ley de la termodinámica que nos dice que la energía ni se crea ni se destruye, y a la segunda ley de esta ciencia que indica que la entropía siempre aumenta cuando un sistema aislado experimenta algún cambio.

Un elemento más de la ciencia decimonónica es interesante para nuestra historia de la fusión fría: el que estudia las relaciones entre electricidad y química. Las primeras observaciones datan de 1711, cuando el profesor de la Universidad de Bolonia, Luigi Galvani, descubrió que al tocar con el extremo de su bisturí una terminación nerviosa de la pata de una rana, ésta se contraía, siempre y cuando mantuviera el otro extremo del bisturí en contacto con un músculo. Pronto se percató Galvani de que este efecto era más notable y prolongado si en vez del bisturí usaba un alambre hecho de cobre y hierro, y tocaba con un metal al nervio y con el otro al músculo. Poco después, otro científico italiano continuó el experimento y descubrió que el hallazgo de Galvani se debía a que la unión de algunos metales produce electricidad. Intrigado, Alessandro Volta sustituyó las ancas de rana por otros materiales. Apiló, por ejemplo, pequeños discos de piel sobre otros de cartón empapados en agua salada y los intercaló con pares de monedas de plata y de zinc. Creó así lo que ahora denominamos pila voltaica. Con ella logró poner al rojo vivo un alambre delgado que unía los dos extremos de la pila. Galvani y Volta pusieron de manifiesto las estrechas relaciones entre la física, la química y la biología. Así se fundan los principios de investigación de una interdisciplina, la electroquímica, especialidad profesional de Fleischmann y Pons.

El mismo año en que Volta inventó la batería, los científicos ingleses William Nicholson y Anthony Carlisle encontraron por accidente que con la electricidad se puede disociar compuestos químicos. En otros términos, se descubre por azar la electrólisis, técnica que luego fue analizada más a fondo, también en Inglaterra, por Humphry Davy y su ayudante Michael Faraday, el mismo que descubriera la inducción electromagnética y quien tal vez haya sido el más grande experimentador científico hasta la fecha. Faraday descubrió las leyes de la electrólisis, que establecen la cantidad de electricidad necesaria para producir tal o cual elemento químico por este medio. Ya entonces se utilizaba como instrumento básico la celda galvánica o celda electroquímica, actor importante en nuestra historia, y que, según se ve en la figura 2, consiste de un recipiente, en general de vidrio, lleno de alguna solución líquida, el electrolito, dentro del cual se introducen dos electrodos metálicos conectados externamente a una batería. Al electrodo positivo: Faraday le denominó ánodo, y al negativo cátodo; por ello, el mismo Faraday nombró aniones y cationes, o más simplemente iones, a los productos de la disociación del electrolito en cada uno de los electrodos.

Figura 2. La celda electrolítica usada por Faraday.

Así las cosas, llegamos al nuevo siglo, al nuestro. En sus albores habrían de sucederse una a otra grandes revoluciones en los conceptos de la ciencia, hasta culminar con la más grande de ellas: la revolución cuántica. Relataremos ahora, a grandes pincelazos, esa historia en la que aparece por primera vez nuestro actor principal, el núcleo atómico.