Films Porno
El Flâneur assegut
cursos Fundació Fita

El Flâneur AssegutEl Flâneur Assegut

inici
cerca
cerca
El Flâneur Assegut

Flâneur a la finestra1  |  Ciència  |  Apunts  |  Què és matèria

Inici  >  Flâneur a la finestra1

APUNT 2. CIÈNCIA: QUÈ ÉS (LA) MATÈRIA?

(FÍSICA i química SOTA MÍNIMS)

J. JUBERT GRUART


                                                                                                                                                              "Tota ciència és física o filatèlia"
                                                                                                                                                                Ernest RUTHERFORD
                                                                                                                                                                (1871-1937)

¿Què és (la) Matèria?

Origen de Ciència.
Demòcrit
d'Abdera, l'any 370 a.e.a. fundà Ciència (física) en:

  1. Observar (veure, mirar, conscienciar) que es pot tallar una poma amb un ganivet.
  2. Preguntar-se perquè una poma (o qualsevol objecte sòlid de variable consistència o duresa) pot efectivament tallar-se.
  3. Formular la següent hipòtesi: si és sòlid és que té, l'objecte, parts compactes molt petites, múltiples, i que entre elles, separant-les, hi ha espais buits a través dels qual puc passar el ganivet. A les parts més petites de la matèria les anomeno àtoms (allò que ja no es pot partir més).
  4. Tallar més pomes i altres objectes, comprovant que tot s'aconsegueix tallar.
  5. Fer-ho saber i esperar que ho confirmin o et contradiguin.

És a dir: prou de Mythos. ¿Jo que veig? És a dir: Logos. Un fet, una pregunta, una hipòtesi, verificacions, una deducció, una teoria (científica). En el cas de Demòcrit: "Les úniques realitats existents són els àtoms i l'espai buit; tot l'altre és pura especulació".

Mort (hibernació de 2000 anys) de Ciència
Potser Sòcrates, segur Plató, i finalment o tot seguit Aristòtil -filòsofs professionals- , s'inventaren la realitat, sense verificar si es corresponia amb el Real.

Aristòtil: tot l'Univers està format per quatre elements: aigua, terra, aire i foc. En els humans, formant part de l'Univers, aquests 4 elements donen lloc als humors; el predomini d'un o altre humor s'expressa en el caràcter i causa totes les malalties possibles. Durant més de 2000 anys aquest ha estat el fonament de medicina, en absolut no científica.

Retorn de Ciència.
Encara que Isaac Newton (1643-1727) va inventar-crear, de nou, Ciència, doncs (la) Física és el fonament de tota Ciència. Es tracta de la física clàssica. Per Newton, el Real, com els raigs de llum, està constituït per partícules petitíssimes o corpuscles.

1. Hem d'esperar a Lavoisier (1743-1794) (guillotinat, a París el 6 de maig, sota el Terror) perquè els àtoms, deduïts per Demòcrit i retrobats i rebatejats per Newton, entressin en Ciència de la mà de la química (passant la química, que era alquímia però no ciència, a ser Ciència). Treballant sobre la combustió, Lavoisier identificà en la matèria ("coses", substàncies), elements Reals, substàncies "pures" o no compostes (que no poden ser separades en altres substàncies). Lavoisier confirmà científicament (experimentalment, quantitativament, objectivament,...) la màxima d' Anaxàgores de Clazomènes i la convertí en llei: Llei de la constància de la matèria (formada per substàncies o elements, simples o compostos): "La matèria ni es crea ni es destrueix: es transforma".

La seva recerca parteix de la següent observació i pregunta: un tros de metall deixat a la intempèrie es rovella (anava a escriure "oxida", però això és precisament el que Lavoisier, l'any 1771, descobrí a partir de la seva recerca): si he pesat el tros de metall abans de rovellar-se i el torno a pesar una vegada rovellat ¿pesarà el mateix? Per "experiència" la majoria afirmarem que pesarà menys (pensem en aquell tros de ferro rovellat, que se'ns trenca entre els dits) i defensarem que això (que pesa menys) és una realitat. Però si procedim amb mètode (fent Ciència: controlant variables: aparell segellat hermèticament, balança de precisió dins de l'aparell,...) constatarem que pesa Real(ment) més. ¿Què ha passat? Breu: en l'aire hi ha quelcom que es combina amb el metall; l'aire, del recipient hermètic, ha perdut allò que el metall ha guanyat. Llei: conservació de la massa.

Amb totes aquestes recerques, Lavoisier ha descobert l'oxigen i bandejat la vella idea del "flogist" (de Sartorius, 1561) i dels 4 elements fonamentals. D'elements en hi ha molts més, i no sols aquells quatre. Identificà un "aire inflamable" (que ell anomenà Hidrogen) i un "aire vital" (que batejà com Oxigen). De la combinació dels dos, en diferent proporció, n'obtingué aigua (1785); en conseqüència: l'aigua és una matèria composta, no un element essencial. Al llarg dels anys 1787-89, sistematitza –junt amb Louis Berthollet i altres- i concep una Nomenclatura química o sistema de noms pels elements o substàncies que no poden descompondre's en altres de més senzilles: total 33 (amb inclusió de "llum" i "calor" com a elements).

Presenta els resultats a l'Acadèmia de Ciències de Paris. El regne li facilita la recerca.

Altres recerques fonamentals de Lavoisier aclareixen el fenomen de la respiració i s'acosten a un dels enigmes de Vida: la combustió interna i l'obtenció d'energia en els éssers vius (pregunta: ¿per què un cos viu és calent i un cos mort fred?, ¿per què si faig un exercici intens m'acaloro?). Troba respostes científiques (metabolisme basal,...).

2. A partir de Lavoisier, John Dalton (1766-1844) –el primer daltònic amb denominació- estableix (any 1808) que cada substància pura o elemental de Lavoisier (elements) està formada per una mateixa classe d'àtoms, diferents en cada substància (diferents elements tenen àtoms distints, en forma i mides; àtoms de diferents elements, tenen diferent massa). Diferents elements es combinen per formar elements compostos (substàncies no pures de Lavoisier). Els canvis químics, que tenen lloc al combinar elements, són deguts a combinacions entre els àtoms d'una i altre substància. Els àtoms que es combinen per formar un compost ho fan sempre en la mateixa proporció (Llei de les proporcions múltiples: diferent proporció d'àtoms, diferent substància o element).

La Teoria atòmica està servida. La comprensió atòmica de l'Univers ha començat (definició alternativa de Ciència: comprensió atòmica de l'Univers, p.e.).

Dalton (com Lavoisier): 1) Provaren i comprovaren les seves hipòtesis per mitjà d'experiments quantitatius originals. 2) Formularen Lleis clares i senzilles sobre la natura de les "coses" (sobre el que hi ha "allà a fora" ). Van fer Ciència.

3. Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850). Tornem a París (a l'École Polytechnique, al Museu d'Història Natural i al cementiri del Pére Lachaise). Pel que fa als gasos, també val el que Lavoisier i Dalton han descrit. Cada gas està compost de molts àtoms que formen molècules, que es mouen i xoquen entre si (com globus o esferes massisses en continu moviment; quan s'escalfa un gas les molècules –i amb elles els àtoms- es mouen més ràpid, augmenta la pressió de xoc sobre les parets de recipient que conté el gas; el gas s'expandeix; si la paret no és rígida, la rebenta (explota). Gràcies a la hipòtesi atòmica pot explicar-se el comportament dels gasos (ja conegut en la pràctica; però ara tenim una teoria científica).

4. En el mateix sentit de Gay-Lussac, l'italià Avogadro, l'escocès Maxwell i l'austríac Ludwig Boltzmann (1844-1906) continuaren treballant també amb gasos. Encara no hi han proves científiques directes (objectives) que existeixin en el Real els àtoms (tot i que ja són un Realitat), encara que matemàticament (les matemàtiques son el llenguatge –segon sistema de senyals- de la natura) està indirectament argumentada l'existència Real d'això que s'anomenen àtoms. Nombrosos savis de l'època ataquen durament a la hipòtesi atòmica. Boltzmann, en concret, desesperat davant la incomprensió del que sap és una veritat científica, (l'existència Reals dels àtoms i de les molècules) es suïcida (penjant-se, a Duino, Itàlia, durant les vacances).

5. Si Boltzmann hagués sabut-pogut resistir-aguantar o procurat estar més al corrent (estar al dia), hauria conegut l'aportació teòrica d'Albert Einstein (1879-1955), feta publicada a l'any 1905, en la qual, més enllà que qualsevol dubte raonable, prova que la realitat dels àtoms és absolutament Real (1905). D'acord amb el càlcul estadístic, el moviment suposadament aleatori que experimenta un gra de pol·len flotant sobre una gota d'aigua –observat en el microscopi i descrit pel botànic anglès Thomas Brown l'any 1825 i que es coneix com "moviment brownià"- obeeix a la mateixa Llei que es dona si el càlcul s'aplica al comportament de les partícules (atòmiques) d'un gas. És a dir: les col·lisions que fan moure el gra de pol·len, causades per partícules no observades (no observables directament), han de ser degudes al que s'ha anomenat àtoms. Per aquest article, precisament, a Einstein se li concedí el premi Nobel de Física (l'únic fiable) a l'any 1921.

La Teoria atòmica està servida i argumentada.

¿De què està fet el món/ la matèria?
Resposta: d'àtoms. Això és la matèria o "substància": àtoms (de matèria) o unitats molt petites de matèria, suposades indivisibles.

Tot el que hi ha, està fet d'àtoms i de buits. Els àtoms d'igual característica, s'uneixen i formen paquets de substància (substàncies pures o elements naturals, essencials); agrupacions d'aquests elements formen molècules; agrupacions de diferents molècules formen elements compostos

Un pas més (encara teòric, però argumentat a partir de fets experimentals).
¿De què estan fets els àtoms?

6. Els àtoms no són el que aparenten ser. En el Real que es va descobrint per mitjà de l'experimentació, l'àtom en manifesta format, pel seu torn, per altres parts: les partícules (atòmiques). L'àtom, doncs, és divisible. La primera partícula en descobrir-se, l'any 1897, rebé el nom d'electró, per J.J. Thomson (1856-1940), doncs la feu responsable de les descàrregues elèctriques (raigs catòdics) que es produïen en els gasos enrarits. Aquest electró, partícula constituent d'un àtom, s'inferí era una part constituent de tots els àtoms de tota substància; per tant de la qualificà de partícula elemental (de l'àtom).

A partir de J.J. Thomson un àtom ja no pot considerar-se, com ho feu Demòcrit, indivisible.

¿Hi han més partícules, formant l'àtom?
La resposta fou: si.
Primera hipòtesi: sí els electrons formen part de l'estructura de tots els àtoms, diferents elements o substàncies, compostos d'àtoms, a més a més d'electrons han de tenir altres components estructurals que els distingeixin o els facin diferents.

Per obtenir confirmació o desestimació d'una hipòtesi, Ciència (és a dir, científics) crearen Tècnica (és a dir, ginys o màquines que permeteren accedir a nivells del Real normalment inaccessibles al complex aparell biològic encefàlic, sintetitzador d'una imatge del món o Realitat). Neix la física de les partícules atòmiques. Però com que aquest no és lloc per fer-ne una descripció d'aquesta apassionant història recent de la Física atòmica (ni el redactor té prou competència per fer-ho) ens limitarem a enumerar els trets més importants que conformen la teoria, l'experimentació i la pràctica d'aquesta Ciència contemporània (o, almenys, d'allò que ens és imprescindible per entendre mínimament com funciona "la Vida" i, més en concret, el cervell humà; allò mínim per poder assajar de respondre des de Ciència a la pregunta ¿que/qui soc jo?; en definitiva per poder fer una ontologia científica o "metafísica física").

7. El model de Rutherford
Els corpuscles descoberts per J.J. Thomson (electrons) estaven carregats negativament, però els àtoms del qual procedien eren elèctricament neutres; en conseqüència, dins de l'àtom, altres càrregues positives havien de contrarestar a les negatives. L'any 1919, Ernest Rutherford comunicà la demostració experimental de l'existència de càrregues positives en el centre de l'àtom, a les que anomenà protons.

En el model d'àtom proposat, l'any 1911 per Ernest Rutherford (1871-1937), el centre l'ocupa una regió, que anomenà nucli, amb protons, la qual conté tota la càrrega positiva de l'àtom; fora del nucli, envoltant-lo, un núvol d'electrons negatius; l'àtom, així, esdevé elèctricament neutre.

8. Model atòmic de Niels Bohr (1885-1962)
L'any 1913 el físic danès Bohr dissenyà, a partir del model de Rutherford - passant del núvol a les òrbites, tal com avui figura com emblema de tota activitat "atòmica" o "radioactiva"- i de les "quantitzacions" de Max Plank i d'Albert Einstein, un model d'àtom que ha esdevingut d'una operativitat teòrica i pedagògica extrema: el electrons estan situats en orbites concèntriques i estables entorn del nucli. No és, en absolut, un model biunívoc (fet a escala, molt ampliada, de l'estructura d'un àtom; no és una "maqueta" d'un àtom); és un model funcional, basat en càlculs matemàtics (equacions).
Els electrons "giren" en les orbites que "emplenen" l'espai "buit" de l'àtom que envolta el nucli. A cada una d'aquestes orbites, Bohr li assigna un número (n: Número Quàntic Principal; en un primer moment aquestes orbites estaven classificades per lletres a partir de "K" i acabant amb "Q"); la més propera al nucli és n=1; i així successivament. Cada orbita té electrons carregats amb diferents nivells d'energia; l'electró obté i allibera energia saltant d'una orbita a una altre.

9. El neutró
James Chadwick
(1891-1974) descobreix, en el nucli atòmic, el neutró (sense càrrega elèctrica).

Un nou model d'àtom està servit:
Resumint, un àtom queda configurat, inicialment, per les següents partícules elementals:

  • 1. En el nucli central, compacte, hi han:
    Protons: partícules amb càrrega elèctrica positiva. Cada element o "substància" té un número fix de protons (Z). Aquest número és el que fa que "la cosa" sigui un element diferenciat dels altres elements (p.e. Hidrogen, l'àtom més petit, té un protó; Urani, el més gran, en té 92; entre el 91 i l'1 hi ha tots els altres elements naturals coneguts).
    Neutrons: partícules sense càrrega (neutres).
  • 2. En la perifèria del nucli (dur) hi han els electrons: partícules elementals amb càrrega negativa i en igual número que Z, el número de neutrons, de tal forma que cada àtom (en situació estable) és neutre (amb les càrregues elèctriques contrarestades). Pel nostre objectiu de descriure Vida (com funcionen els éssers vius i, dins d'aquesta disciplina de Ciència –biologia -, com funciona en un nivell concret el sistema nerviós humà –neurobiologia-) els electrons són l'única partícula elemental dels àtoms que ens interessa (didàcticament), doncs les propietats químiques (possibilitats de combinació dels àtoms) de qualsevol element depenen exclusivament dels electrons perinuclears.

El model compleix la màxima "simplitas sigillum veritate": amb tres partícules pot fer-se l'Univers (és a dir Tot).

Experiments posteriors permeteren quantificar l'estructura d'un àtom: el nucli ocupa sols la centmil·lèsima part de l'àtom (un cap d'agulla envoltat, per tots costats, d'un núvol d'uns 100 metres d'espessor). El que resultaria sorprenent per Demòcrit (i per nosaltres) és que totes les "coses" aparentment sòlides estan formades per minúsculs "caps d'agulles" i per aquests "enormes" espais buits (a més a més dels buits entre àtoms).

Simplificat (la regla que presideix "el que és") -exemplificat inicialment amb l'àtom d'hidrogen per Bohr -, el model és aquest:

HIDROGEN HELI

1 protó 2 protons

LITI CARBONI

3 protons 4 protons

La primera orbita té lloc per dos electrons; totes les altres per 8. En total, per configurar tots els elements: 7 capes orbitals (la primera amb 2 electrons; les altres amb possibilitat de 8). No es coneix cap element amb la 7ª capa o orbita completa.

¿Que diferència un àtom d'un element del d'un altre?
Ja que el número de protons del nucli (amb càrrega +) està compensat per igual número d'electrons de les orbites (amb càrrega - ), en cada àtom de cada element, el que diferència diferents elements és una qüestió de quantitat. El número (Z) de protons que té el nucli (i, per tant, el d'electrons en la perifèria) varia. En total es coneixen 109 elements; 92 dels quals són "naturals"; la resta han estat creats amb la Tècnica dels humans científics (que fan Ciència).

Amb un protó: hidrogen. 92 protons: urani.

El número de protons d'un nucli atòmic = número atòmic.

Element = tots els àtoms que tenen el mateix número atòmic (i, per tant, el mateix nombre de protons i d'electrons).

Nota: tots els àtoms, siguin de l'element que siguin, ocupen en l'espai un volum semblant (àtoms compactes; àtoms folgats).

L'aportació de la física quàntica a la química.
La química -o estudi de com diferents elements es combinen entre si per formar molècules compostes- trobà l'explicació científica "oculta" o Real (i, paradoxalment, deixant de ser alquímia) en la física quàntica.

Els àtoms es combinen en molècules, donant lloc a la formació de compostos moleculars (un compost = agrupació estructurada de molècules; molècules = agrupació estructurada d'àtoms).

P.: ¿Com es formen les travades estructures moleculars i compostes?
R.: Intercanviant electrons de les capes-òrbites externes del seus àtoms.

S'anomena valència al número d'electrons (de la capa externa incomplerta d'un àtom) que pot cedir-se o prendre d'un altre àtom, completant-se mútuament les seves orbites externes i formar així un compost molecular,

L'exemple: la sal comú.
El sodi (Na) té 11 electrons, un dels quals és l'únic resident de l'orbita més externa, la qual està manifestament incomplerta (en hi manquen 7, per sumar-ne 8).
El clor (Cl) té 17 electrons; a la seva capa externa, amb 7 electrons, en hi manca un per estar completa.

Llei: cada àtom tendeix a completar la seva capa o orbita externa d'electrons.
Capa externa d'electrons completa= àtom estable (no combinable).
Capa externa (orbita) incomplet: inestable (combinable).
Clorur sòdic (sal comú).

Ions
Un ion és un àtom amb càrrega elèctrica (negativa o positiva).
Recordem: l'àtom és neutre (té el mateix nombre de protons, amb càrrega positiva, que d'electrons, amb càrrega negativa. Però, en cedir electrons, per formar un compost, un àtom té més protons que electrons i deixa de ser neutre; predominen el protons (positius); té càrrega positiva. Exemple: el sodi, de la sal, passa a ser (Na+). El clor, pel contrari, incorpora electrons procedents de l'àtom de Na i passa a tenir càrrega negativa (Cl- ).

Les substàncies o elements que adquireixen o es desprenen amb facilitat d'electrons (intercanvi d'electrons, per tal de complementar les seves capes o orbites externes) formen enllaços iònics.

Si es dissolt sal (Cl Na) en aigua, els àtoms de clor i de sodi estan presents en forma de ions (un ió és un àtom no neutre, amb càrrega elèctrica negativa o positiva). La solució (dissolució) de sal en aigua és una solució iònica. Ja no hi ha sal (Cl Na), sinó ions Na+ i ions Cl-. Així és com els ions de clor i de sodi es mobilitzen per l'aigua de forma virtualment independent l'un de l'altre (tot i que cada volum de la solució es manté elèctricament neutre). I el que val per Cl Na val per tots els altres compostos iònics.

Comportament dels ions a traves de membranes semipermeables (introducció, des de física, al fonament de Vida):
Arribats aquí hem acabat física atòmica (sota mínims). Aquest és el mínim de físico-química que ens és imprescindible saber per entendre-explicar (científicament) què és Vida.

  1. La Vida, tal com es dóna a la Terra, sols és possible amb presència d'aigua (i l'aigua és possible perquè la Terra està del Sol a la distància de l'aigua líquida).
  2. A l'interior i a l'exterior de totes les cèl·lules (unitat bàsica d'un organisme viu) hi ha aigua.
  3. Totes les cèl·lules i tots els teixits (conjunt de cèl·lules) orgànics estan impregnats d'una solució iònica feble (de baixa concentració) que conte ions de sodi, potassi, clor, calci, magnesi i altres, en diverses concentracions.
  4. Els compostos que posseeixen enllaços iònics es denominen electròlits, el quals en formar solucions iòniques en l'aigua són capaços de conduir corrent elèctrica.
  5. A traves de les membranes semipermeables de les cèl·lules es realitza intercanvi de ions. Això fa que, a causa de la diferent concentració de ions en una i altra banda de la membrana cel·lular, existeixin polaritats diferents (predomini de càrrega elèctrica positiva a un costat i negativa a l'altre).
  6. Mentre hi ha electricitat, per intercanvi iònic a través de membranes, Vida és. I aquesta electricitat, lligada a tot el que mínimament s'ha exposat, fa que la Vida funcioni (en concret, i pel nostre interès ontològic, fa que el sistema nerviós, lloc on té lloc el psiquisme, el coneixement, la consciència,..., funcioni). Per això calia Ciència-Física-Química (sota mínims).

10. Vida és un producte de l'organització de molècules, formades per elements, formats per àtoms, formats per partícules....

Quantificant
Nombre total d'àtoms en un cos humà (adult) = 1028
(és a dir: 10. 0004 000. 0003 000 .0002 000. 0001 000.000)
Nombre total de protons, neutrons i electrons en un cos humà adult = 1080
(10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000)
Nombre total de Neutrons en l'Univers "observable" = 10128-130 (id. d'electrons).

(...)

(Moralitat: Hi ha moltes més "coses" (i fenòmens) en el Real que els que pot copsar l'encèfal humà. El Real supera a la Realitat percebuda, concebuda; la major part del Real és inexistent per la Realitat que constatem a ull nu. Real i Realitat no tenen el mateix aspecte. Però com que "el pensar el produeix matèria sensible i organitzada" (Prigogine), en observar des de la ment a l'Univers (i l'humà en ell) té lloc un diàleg entre iguals. Amén).


(Sessió 22 de gener de 2009)

 

"el flâneur assegut" | info@flaneurassegut.org
Cursos Fundació Fita
Hortes, 22  ·  17004 Girona | 972 216 465
Fundació Fita © 2010