medicina

Módulo 2: Propiedades de la materia

Biofísica

Licenciatura en Kinesiología y Fisiatría

Año 2013
2º cuatrimestre

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1. Estructura de la materia
Toda la materia está formada por bloques constructivos diminutos, que en sí son básicamente
espacio vacío. Son los átomos, que se pueden combinar para formar moléculas, las cuales a la vez se
aglomeran para formar la materia que vemos anuestro alrededor.

1. 1. Átomos
Los átomos son tan pequeños (  10-10 m) que no los podemos
ver con luz visible. La luz está compuesta por ondas, y los átomos son
más pequeños que la longitud de onda de luz. Para entender este
concepto, podemos hacer una analogía con ondas en el agua. Un barco
es mucho más grande que las ondas que inciden en él (Fig. 1). Sin
embargo, las ondas de aguapueden revelar características del barco,
ya que se difractan conforme pasan por el barco. Pero la difracción es
despreciable para las ondas que pasan por la cadena del ancla, y
revelan poco y nada de ésta. Análogamente, las ondas de la luz visible
son demasiado grandes en comparación con el tamaño del átomo, para
revelar los detalles acerca del tamaño y la forma de los mismos.
Figura 1: Ondasde agua

En el año 1970 se obtuvo la primera imagen de una cadena de átomos de torio con un
microscopio electrónico de barrido, que fue desarrollado por Albert Crewe de la Universidad de
Chicago. La imagen no es una fotografía, sino una micrografía de electrones que no se obtuvo con
luz, sino con un haz de electrones. Un haz de electrones es un chorro de partículas que tienen
propiedadesondulatorias. La longitud de onda de un haz de electrones es menor que la de la luz
visible. Así, los átomos son mayores que las diminutas longitudes de onda de electrones y las
difractan.
A mediados de la década de los ´80 se desarrolló un nuevo tipo de microscopio: el
microscopio túnel de barrido. Usa una punta afilada que se pasa punto a punto sobre una superficie a
una distancia de pocosdiámetros atómicos de ella. En cada punto se mide una corriente eléctrica
diminuta, la corriente de efecto túnel, entre la punta y la superficie. Las variaciones de corriente
indican la topología de la superficie (Fig. 2).

Figura 2: Imagen de 48 átomos de hierro colocados en un anillo circulas,
tomada con un microscopio túnel de barrido

Como no podemos ver el interior de un átomo, formamosmodelos del mismo. En ese sentido,
un modelo es una abstracción que nos ayuda a visualizar lo que no podemos observar, y nos permite
realizar predicciones acerca de partes de la naturaleza que no se han visto.

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El modelo clásico del átomo, similar al del sistema solar, consiste en suponer que está
formado por un núcleo diminuto y denso rodeado por electrones que orbitan dentro de capasesféricas
(Fig. 3).

Figura 3: Modelo de átomo

Estructura atómica
El núcleo concentra casi toda la masa de un átomo y sólo ocupa un espacio de  10-14 m. Su
volumen es  10-42 m3. Por lo tanto, el núcleo es muy denso. El principal bloque constituyente del
núcleo es el nucleón, el cual a la vez está compuesto por partículas fundamentales llamadas quarks.
Cuando un nucleón está en estadoeléctricamente neutro, es un neutrón; cuando está cargado
eléctricamente, es un protón. Los núcleos más livianos tienen aproximadamente el mismo número de
protones que de neutrones; los más masivos tienen más neutrones que protones. Los protones tienen
carga eléctrica positiva que repele a otras cargas positivas, pero atrae a cargas negativas. Los protones
del núcleo atraen a la nube circundantede electrones cargados negativamente para constituir un
átomo. Por otro lado, los protones se mantienen juntos a pesar de su repulsión mutua gracias a la
acción de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es extremadamente intensa pero solo se ejerce a
distancias pequeñas.
El número de neutrones para un elemento dado puede variar. Los átomos de un mismo
elemento, pero con distinto número de...