La presente comunicación se expuso en las II JORNADAS NACIONALES SOBRE LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA. "QUÍMICA: VIDA Y PROGRESO"
ANTONIO Campillo RUIZ
Catedrático de Física y Química
Profesor de Nuevas Tecnologías
Universidad de Murcia
E-mail: acruiz@um.es
Enseñanza de la Química.-
Los recursos didácticos que se encuentran frecuentemente al alcance del profesor, en ocasiones, dejan de lado alguna de las posibilidades didácticas que, para asignaturas fundamentalmente procedimentales, representan de una forma, cuanto menos adecuada, los modelos que casi siempre el alumno debe “comprender” mediante su interpretación de la mera explicación oral. Creo que esto supone un problema tan grave que a veces, retira el interés por la asignatura y, desde ese momento, que casi siempre coincide con el inicio de las explicaciones, el estudio memorístico es su fuente de información. Creo en la explicación que relaciona fenómenos y los justifica. Nunca, para mí, será adecuado el estudio independiente de análisis o teorías científicas que, a pesar de ser de suma importancia, no esté relacionado con una realidad objetiva y con estudios previos en donde se haya basado.
Esta concepción de la estructura metodológica de una clase de conocimientos científicos supone un verdadero problema: no existen recursos, si los hay, no existen medios para representarlos, la complejidad de explicación con medios idóneos implica excesivo tiempo, etc. Todos conocemos alguna de las posibles dificultades en el aula. Pero no es mi objetivo criticar o dolerme de los cotidianos inconvenientes de una moderna y eficaz enseñanza de la Química. El
Así por ejemplo, está muy generalizado el hecho de separar lo casi infinitamente grande de lo casi infinitamente pequeño. Una muestra de ello la tenemos en el estudio de las fuerzas que se suponen muy grandes, cuando en realidad son enormemente débiles por pertenecer a grandes cuerpos materiales.
Otro ejemplo de ello es la separación que existe entre la fuerza de la gravedad y el resto de fuerzas que, como magnitudes fundamentales, existen en la naturaleza y explicamos en el aula. La separación del estudio entre esta fuerza y el resto delimita en el alumno la relación entre ellas y su verdadera naturaleza con respecto a los cuerpos materiales. 
de sólido y líquido? Alguien puede pensar que únicamente por medio de un papel de filtro. Pero sin la fuerza de gravedad nunca se separarían.
Si el profesor pudiese enseñar al alumno cómo es en realidad el interior de la materia, creo que la sorpresa sería tan enorme para uno como para otro. Supondría un cambio en la concepción de cualquiera de los tres estados de la materia, sobre todo el sólido, y cambiaría el interés hacia lo que de siempre ha sido “natural” ¿Que la punta de mi dedo meñique no deja de moverse en un “caos ordenado”? Pero si no lo noto, ni lo veo y mi sensibilidad táctil es muy buena… Sí, pero la estructura íntima material es bien diferente de las apariencias sólidas, “estables”, e incluso inalterables. Pero estas peculiaridades, ¿interesan en mi aula? Esta es la gran apuesta que me plateo cuando comienzo un curso y debo interesar, hacer comprender, razonar y, si puedo, experimentar.
Así pues, cuando iniciamos nuestra explicación del átomo tratamos de explicar la estructura interna del mismo y sus partículas elementales. Como cada una de las partículas posee sus características propias y sus magnitudes, decimos:
MASA EN REPOSO | CARGA ELÉCTRICA | |
ELECTRÓN | 9,109.10-31kg → 0,00054 uma | -1,602.10- |
PROTÓN | 1,672.10-27kg → 1,00728 uma | +1,602.10- |
NEUTRÓN | 1,674.10-27kg → 1,00866 uma |
Acto seguido observamos extrañeza en nuestros alumnos: el protón y el neutrón tienen muchísima más cantidad de unidades de masa atómica que el electrón, y sus cargas eléctricas son iguales en dos casos y nula en el tercero. Inmediatamente aclaramos que la masa del electrón es prácticamente despreciable comparada con la masa del protón y neutrón. Nos preguntan ¿por qué? y la pregunta es incómoda pues debemos remontarnos a explicar tantos experimentos… que lo más razonable es responder que poco a poco lo entenderán. Creo que este es el primer choque de incomprensión que sufre el alumno cuando explicamos la teoría atómica, aunque es posible que a lo largo de las sucesivas explicaciones alcance a responderse sus preguntas. Thomson determinó el cociente entre la carga y la masa de las partículas. En 1909, Millikan midió la carga eléctrica del electrón y, al saber esta, se pudo, efectivamente, deducir su masa como 1.837 veces inferior a la de un átomo de hidrógeno. Ya vamos casi explicando la pregunta del alumno, pero no está resuelta su duda. En 1910 Rutherford descubrió el protón y en 1932 Chadwick descubrió el neutrón. Parece ser que con esta secuencia, que es la que poseen casi la totalidad de los textos, tenemos completada la explicación de la pregunta del alumno. No es así. Deberíamos explicar la secuencia de descubrimientos posteriores debidos a destacados investigadores, entre los que nombraríamos a Murray Gell-Mann y a George Zweing, ya que con sus teorías nos introduciríamos en el mundo de las partículas:
QUARKS | LEPTONES | ||
UP | DOWN | ELECTRÓN | NEUTRINO ELECTRÓNICO |
qe = + 2/3 azul qe rojo verde | qe = - 1/3 azul qe rojo verde | qe = - 1 No tiene carga de color. | No tiene carga eléctrica ni carga de color. |
CHARM | STRANGE | MUÓN | NEUTRINO DEL MUÓN |
qe = + 2/3 azul qe rojo verde | qe = - 1/3 azul qe rojo verde | qe = - 1 No tiene carga de color. | No tiene carga eléctrica ni carga de color |
TOP | BOTTOM | TAU | NEUTRINO DEL TAU |
qe = + 2/3 azul qe rojo verde | qe = - 1/3 azul qe rojo verde | qe = - 1 No tiene carga de color. | No tiene carga eléctrica ni carga de color |
TABLA 1.1
up | arriba |
DOWN | ABAJO |
CHARM | ENCANTO |
STRANGE | EXTRAÑO |
BOTTOM | FONDO |
TOP | CIMA |
El protón está formado por tres quarks: dos “up” y un “down”, con cargas de colores diferentes para que se anulen y resulte que el protón no tenga carga de color, pero la carga eléctrica de los quarks no se anula y su suma es la carga eléctrica conocida del protón:
+2/3 + 2/3 – 1/3 = +1
Un neutrón está formado por dos quarks “down” y uno “up”. Es evidente que los antiguos griegos, cuando suponían que la materia del universo estaba formada por diminutos componentes “indivisibles”, a los que llamaron átomos, tuvieron una intuición presciente. Más de dos mil años después seguimos creyendo que esto es cierto, aunque los descubrimientos anteriormente señalados nos han llevado hasta este “pequeño lío” que hemos iniciado. Para el alumno debe quedar claro que los átomos son ciertamente “divisibles” y que a través del estudio de estas partículas subatómicas podemos llegar, como Murray Gell-Mann, a las dos primeras variedades de quarks: “up” y “down” y que, según lo expuesto, todo lo que vemos en la tierra y en el cielo resulta de la combinación de electrones, quarks “up” y quarks “down”. Reines y Cowan, a mediados de la década de 1950, descubrieron un cuarto tipo de partícula, de forma experimental, el neutrino, partícula cuya existencia había predicho ya Pauli hacia 1930. Estas partículas son muy difíciles de encontrar ya que raramente interaccionan con otro tipo de materia: un neutrino de una energía media puede atravesar fácilmente miles de billones de kilómetros de plomo sin que se produzca el más leve efecto en su movimiento. A pesar de ello, mientras escribo esta comunicación, estoy perfectamente ”normal” y “tranquilo” a pesar de ser atravesado por miles de millones de neutrinos lanzados por el sol en su viaje a través del cosmos. Hacia 1940 una nueva partícula fue descubierta al estudiar los rayos cósmicos: el muón. Sería una partícula más si no fuese porque es idéntica al electrón … pero 200 veces más pesada que éste. Posteriormente se descubrieron los otros cuatro quarks, un pariente aún más pesado que el electrón al que se llamó tau y otras dos partículas con propiedades similares a los neutrinos que se llamaron neutrino del muón y neutrino de tau.
Así se diferenciaron del original al que actualmente se denomina neutrino del electrón. Estas partículas se producen como resultado de colisiones a altas energías y no podemos percibir su existencia en nuestro entorno. A la vez, cada una de estas partículas posee una
antipartícula de idéntica masa pero que es contraria en alguna de sus otras características, por ejemplo, en la carga eléctrica. Cuando la materia y la antimateria se ponen en contacto se aniquilan mutuamente para producir energía pura. Es posible que entendamos que la existencia de materia y antimateria en nuestro mundo es enormemente poco natural. Que no sea fácil de explicar y que para algún profesor roce la filosofía no implica que se dejen de lado tantos investigadores y las modernas teorías sobre el núcleo. Además, para la explicación de todas estas partículas subatómicas y los aspectos de los quarks que tienen “sabores” existen ya bastantes recursos realizados con simulaciones informáticas que se encuentran al alcance del profesor y del alumno y que favorecen la comprensión de lo antedicho. Sirva de ejemplo la facilidad de explicación mediante la simulación (sólo posible en imagen dinámica) derivada del siguiente cuadro de colores y “sabores” de los quarks:
Como en el caso de la tabla 1.1, podríamos relacionar las masas de las partículas subatómicas anteriores:
FAMILIA 1 | FAMILIA 2 | FAMILIA 3 | |||
PARTÍCULA | MASA | PARTÍCULA | MASA | PARTÍCULA | MASA |
Electrón | 0,00054 | Muón | 0,11 | Tau | 1,9 |
Neutrino del electrón | < 10-8 | Neutrino del muón | < 0,0003 | Neutrino de tau | < 0,033 |
Quark up | 0,0047 | Quark charm | 1,6 | Quark top | 189 |
Quark down | 0,0074 | Quark strange | 0,16 | Quark bottom | 5,2 |
TABLA 1.2
Llegados a este punto y habiendo explicado, creo que por una parte importante de profesores, las partículas subatómicas, todavía no hemos conseguido que el alumno comprenda las aparentemente irrisorias preguntas que provocan en él un sutil desánimo hacia todas estas teorías tan complicadas. Una de ellas es: ¿cómo es que todas las cargas positivas están juntas cuando las cargas del mismo signo se repelen? O, ¿por qué están unidos los protones?
En este punto es cuando su interés por lo estudiado se puede decantar hacia “esto es muy difícil” o puede desarrollar iniciativas de investigación, solicitando con frecuencia del profesor información y explicaciones de los fenómenos y características de la materia enormemente pequeña. Las fuerzas en la naturaleza que interactúan entre si son: LA GRAVEDAD , LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICALA FUERZA NUCLEAR DÉBIL Y LA FUERZA NUCLEAR FUERTE.
La gravedad es la que nos
resulta más familiar. Es la que hace que nuestros pies se mantengan fuertemente unidos al suelo, hace que nuestro planeta gire alrededor del sol y es, en definitiva, la que mantiene el universo en el equilibrio que estudiamos. La siguiente en familiaridad con nosotros es la fuerza electromagnética. Es la que hace que funcionen todas las comodidades de la vida actual: iluminación, televisores, ordenadores, etc., e incluso está presente en uno de los sentidos que utilizamos más frecuentemente, el tacto, el suave roce de una mano con otra. La carga eléctrica realiza la misma función en relación a la fuerza electromagnética que la que desempeña la masa en relación con la gravedad: determina la fuerza electromagnética que puede ejercer una partícula o la fuerza con que puede responder electromagnéticamente una partícula. Las fuerzas nuclear fuerte y nuclear débil son mucho menos familiares para nosotros porque su magnitud disminuye velozmente a escalas de distancias casi subatómicas: son las fuerzas nucleares. La fuerza nuclear fuerte es la responsable de que los quarks se mantengan “pegados” unos con otros en el interior de los protones y los neutrones y de que los protones y los neutrones se mantengan fuertemente “apiñados” en el núcleo del átomo. La fuerza nuclear débil es la responsable de la desintegración radiactiva de sustancias como el uranio. Todas las fuerzas tienen asociada una partícula que se puede considerar como el mínimo haz que puede formar la fuerza. Así, por ejemplo, si se dispara un haz de rayos láser, que podemos considerar como un cañón de rayos electromagnéticos, se está disparando un chorro de fotones, que son las partículas mínimas que forman un haz de fuerza electromagnética. De la misma forma, los constituyentes más pequeños de los campos de la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte son partículas llamadas bosones gauge asociados a la fuerza nuclear débil y gluones. Obsérvese que la palabra gluón proviene de “glue”, pegamento microscópico que mantiene unidos todos los elementos de las partículas nucleares.
FUERZAS | PARTÍCULA DE FUERZA | MASA |
NUCLEAR FUERTE | GLUÓN | 0 |
ELECTROMAGNÉTICA | FOTÓN | 0 |
NUCLEAR DÉBIL | BOSONES GAUGE ASOCIADOS A NUCLEAR DÉBIL | 86,97 |
GRAVEDAD | GRAVITONES | 0 |
En 1984 se estableció exprimentalmente la existencia de estas fuerzas, excepto el gravitón que se encuentra pendiente de confirmación experimental. Se supone que con el nuevo CERN se podrá establecer su existencia. La existencia de características comunes a estas fuerzas es similar al hecho de que, así como la masa determina cómo afecta la gravedad a una partícula y la carga eléctrica cómo la afecta la fuerza electromagnética, las partículas están provistas de ciertas cantidades de “carga fuerte” y “carga débil” que determinan cómo son afectadas por la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Sin embargo, a pesar de la minuciosidad de las medidas y estudio de sus propiedades, nadie tiene una explicación de por qué nuestro universo está compuesto, precisamente, por estas partículas que poseen unas masas y unas cargas de fuerzas tan peculiares. Reflejaremos en las tablas siguientes para cada tipo de quark las tres posibles cargas de fuerza nuclear fuerte que anteriormente hemos denominado mediante colores y que representan los valores numéricos de dichas cargas. Completamos así la tabla 1.2, anteriormente reseñada, con la carga nucleare fuerte y la carga nuclear débil.
FAMILIA 1 | ||||
PARTÍCULA | MASA | CARGA ELÉCTRICA | CARGA DÉBIL | CARGA FUERTE |
ELECTRÓN | 0,00054 | - 1,00 | - ½ | 0 |
NEUTRINO DEL ELECTRÓN | < 10-8 | 0 | ½ | 0 |
QUARK UP | 0,0047 | 2/3 | ½ | azul, rojo, verde |
QUARK DOWN | 0,0074 | -1/3 | -1/2 | azul, rojo, verde |
Tabla 1.3
FAMILIA 2 | ||||
PARTÍCULA | MASA | CARGA ELÉCTRICA | CARGA DÉBIL | CARGA FUERTE |
MUÓN | 0,11 | - 1,00 | -1/2 | 0 |
NEUTRINO DEL MUÓN | < 0,0003 | 0 | ½ | 0 |
QUARK CHARM | 1,6 | 2/3 | ½ | azul, rojo, verde |
QUARK STRANGE | 0,16 | - 1/3 | - ½ | azul, rojo, verde |
Tabla 1.4
FAMILIA 3 | ||||
PARTÍCULA | MASA | CARGA ELÉCTRICA | CARGA DÉBIL | CARGA FUERTE |
TAU | 1,9 | - 1,00 | - ½ | 0 |
NEUTRINO DEL TAU | < 0,033 | 0,00 | ½ | 0 |
QUARK TOP | 189,00 | 2/3 | ½ | azul, rojo, verde |
QUARK BOTTOM | 5,2 | - 1/3 | - ½ | azul, rojo, verde |
Tabla 1.5
Vistas ya todas las partículas elementales y estudiada la naturaleza de cada una de ellas, todavía queda una discrepancia muy potente entre el modelo Standard, que no contempla la gravedad pero sí partículas puntuales, y las violentas fluctuaciones que aparecen a escalas ultramicroscópicas, cuando se consideran distancias menores que la longitud de Planck. Este conflicto no resuelto ha fomentado la búsqueda de un conocimiento aún más profundo de la naturaleza . En 1984, Michael Green y John Schwarz proporcionaron la primera prueba convincente de que la teoría de las supercuerdas (teoría de cuerdas para simplificar) podía aportar este conocimiento.
La teoría de cuerdas ofrece una nueva y profunda modificación de nuestra descripción teórica de las propiedades ultramicroscópicas del universo, alterando la relatividad general de Einstein justo de la manera precisa para hacerla totalmente compatible con las leyes de la mecánica cuántica. Según la teoría de cuerdas, los componentes elementales del universo NO son partículas puntuales, sino diminutos filamentos unidimensionales que vibran de un lado para otro. La teoría plantea que son unos componentes microscópicos que constituyen las partículas de las que están formados los propios átomos.
Las cuerdas se encuentran en una ubicación en lo más profundo e interno de la materia y son tan pequeñas (su medida es aproximadamente la longitud de Planck), que parecen puntos. La simple sustitución de las partículas puntuales
por ramales de cuerda, como componentes fundamentales de cualquier cosa, tiene unas consecuencias y una importancia inesperadas: como hemos dicho anteriormente, la teoría de cuerdas parece resolver el conflicto entre la relatividad
general y la mecánica cuántica; en segundo lugar, la teoría de cuerdas proporciona una teoría auténticamente unificada, ya que se propone que toda la materia y todas las fuerzas surgen a partir de un componente básico: las cuerdas oscilantes; por último, además de estos logros notables, la teoría de cuerdas cambia radicalmente nuestra manera de entender el espacio-tiempo”. Gabriele Veneziano y su transformación de la función beta de Euler, sigue construyendo la teoría de cuerdas. La armonía de las notas musicales se mezcla con una explicación de la materia asombrosa: la materia está formada por cuerdas oscilantes que, a su vez, forman las partículas subatómicas, que a su vez, forman el átomo que, a su vez, forman la materia de la naturaleza inmensa del universo. Únicamente faltaría explicar experimentalmente la naturaleza de las cuerdas. Las últimas investigaciones señalan que las cuerdas tienen una naturaleza idéntica a la luz. Y ahora, el asombro de muchos profesores y alumnos puede ser mayúsculo: la materia es luz. Pues sí. Siguiendo los pasos ascendentes en complejidad material, si la parte más íntima de la materia tiene una naturaleza idéntica a la luz, toda la es derivada de ella.
Así que, la punta del dedo índice de la mano izquierda que debe pulsar la tecla t para que aparezca en la pantalla de nuestro ordenador, está formada por una maraña material que es luz. Creo que esta explicación es necesaria e ineludible en la actualidad. El núcleo y, en general, las partículas subatómicas deben tener un moderno enfoque didáctico y generar en el alumno un interés por el conocimiento científico que ayude cada vez más a que la armonía de la teorías científicas se parezca a unas notas, generadas por unas cuerdas, que se escuchan en un concierto en donde cada uno de los instrumentos genera sus propias notas armónicas, suaves, ordenadas y sensibles a los oyentes atentos.
La sinfonía de las cuerdas es el futuro de las investigaciones sobre la unificación del “todo” y la explicación racional de nuestro universo. Nuestros alumnos deben conocer estos avances científicos y a sus descubridores, aunque sólo sea en homenaje a sus investigaciones científicas, y no sólo nombres que, a pesar de su importancia para el mundo de la ciencia, ya están superados con creces por las nuevas teorías.
“Es la mayor aventura de la historia del hombre, la que nos lleva a la comprensión del universo, de cómo funciona y de dónde viene. Es difícil creer que unos pocos habitantes de un pequeño planeta, en órbita alrededor de una estrella insignificante, dentro de una pequeña galaxia, puedan llegar a comprender todo el universo, un punto de la creación convencido de que es capaz de entender la totalidad”. Murray Gell-Mann.
BIBLIOGRAFÍA.-
Einstein, A., “Relatividad”, Crown, Nueva York, 1961.
Gell-Mann, M., “The Quark and the Jaguar”, Freeman, Nueva Cork, 1994.
Greene, B., “El Universo Elegante”, Crítica, Barcelona, 2001.
Hawking, S., “Historia del Tiempo”, Crítica, Barcelona, 1988
Weinberg, S., “The First Three Minutes”, Basic Books, Nueva York, 1993.
Libros de texto de Física y Química, cursos 1º y 2º de Bachillerato LOGSE, de las editoriales Anaya, Almadraba, Bruño, Ecir, Edelvives, Editex, McGrau Hill, Oxford, S.M., Santillana y Teide, correspondientes al curso académico 2006/07.
NOTA: Todas las tablas de constantes de la presente comunicación han sido extraídas de la obra de Brian Greene “El Universo elegante”.
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