Una de las preguntas que surgen con frecuencia en el ámbito de la física es por qué el agua no se escapa de un vaso, a pesar de que los átomos del cristal parecen estar vacíos. Esta cuestión nos lleva a explorar la estructura atómica y las interacciones que se producen entre los materiales, tanto sólidos como líquidos.
La estructura atómica y la percepción de vacío
En primer lugar, es importante aclarar que la afirmación de que los átomos del cristal están vacíos es incorrecta. Todos los átomos, independientemente de si componen un sólido como el cristal o un líquido como el agua, poseen características fundamentales similares. Aunque las propiedades de las sustancias varían, la composición atómica sigue siendo la misma. Por lo tanto, no podemos hacer una distinción entre los átomos de un material y otro basándonos en la idea de que unos son «huecos» y otros no.
La clave para entender este fenómeno radica en los electrones que orbitan alrededor del núcleo de cada átomo. Estos electrones no son simplemente partículas que se encuentran aisladas, sino que generan un campo electromagnético cuántico. Este campo es el responsable de las interacciones de repulsión y atracción entre los átomos, creando así barreras que impiden que el agua se escape del vaso que la contiene.
El principio de exclusión de Pauli
El principio de exclusión de Pauli establece que no pueden existir dos electrones en el mismo estado cuántico dentro de un átomo. Esto significa que si un electrón de un átomo de agua intenta ocupar el mismo espacio que un electrón de un átomo de cristal, no puede hacerlo, ya que cada estado energético tiene un número fijo de electrones. Esta propiedad es fundamental para entender por qué el agua no atraviesa el cristal del vaso.
Desde una perspectiva de física clásica, las partículas con la misma carga se repelen entre sí, mientras que aquellas de carga opuesta se atraen. Dado que todos los electrones tienen carga negativa, se repelen, pero son atraídos hacia los núcleos de carga positiva. Esta interacción es lo que provoca que el agua se adhiera al cristal, al mismo tiempo que se mantiene cohesionada entre sus propias moléculas.
Para ilustrar esta situación, se puede hacer una analogía con la adolescencia, donde los jóvenes experimentan un apego tanto a su hogar como al mundo exterior y a sus grupos de amigos. En el caso de los electrones, existe una atracción hacia los núcleos de los átomos de cristal, al tiempo que mantienen una cohesión entre ellos en el agua.
Por lo tanto, la interacción entre los electrones del agua y los del cristal es un fenómeno complejo que involucra tanto la física clásica como la cuántica. La presencia de electrones en el estado de los átomos es lo que impide que el agua se escape del vaso, reafirmando así la importancia de las interacciones atómicas en nuestra comprensión del mundo material.
Ruth Lazkoz, doctora en física y catedrática de la Universidad del País Vasco, ha sido clave en la explicación de esta cuestión, que fue planteada por Carlos Miguel Vega Gómez y abordada en el consultorio científico semanal «Las científicas responden», patrocinado por el programa L’Oréal-Unesco «For Women in Science» y Bristol Myers Squibb. Este espacio permite que científicas y tecnólogas, socias de la Asociación de Mujeres Investigadoras y Tecnólogas (AMIT), respondan a las consultas del público sobre ciencia y tecnología.
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