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Palabras clave: historia y filosofía de la ciencia; positivismo; modelos atómicos; textos de química general.

Recent studies have point out that the interpretation that General Chemistry college textbooks give of the science evolution, enters in contradiction with historical events. This study has as fundamental purpose to analyze to what degree the image that high school texts give on the evolution of atomic models is accurate with the History and Science Philosophy actual view. Seeking that purpose we analyzed 27 Chemistry high school texts. (16, 9^th grade and 11 1^st grade). A sequence of rational criteria was employed (Niaz, 1998) reflecting the actual approach of Science Philosophy that allowed us to evaluate, qualitatively, the actual focus on the atomic models of Thomson, Rutherford and Bohr. The results confirm previous studies in which the analyzed texts underline the experimental facts and the use of the scientific method as the most important way to elaborate scientific theories. Concluding, most of the texts do not know the most recent research contributions about science teaching and use the History of Science with a positivist view The study has important implications for the curricular reform, the actualized Chemistry texts and the development of teaching strategies much more signgicant to students and teachers.

Key words: history and science philosophy; positivism; atomic models; general chemistry texts.

La filosofía positivista ha tenido importantes implicaciones para la elaboración del curriculum de la enseñanza de las ciencias en el mundo y, especialmente para la enseñanza de la Química (Gallagher, 1991; McComas et al, 1998). Sin embargo, a mediados del siglo XX la influencia del positivismo en la enseñanza comenzó a ser cuestionada ante la emergencia de nuevas ideas en el campo de la Filosofía de la Ciencia. Filósofos como Hanson (1958), Kuhn (1970), Lakatos (1970), Popper (1959) y Toulmin (1961) hicieron fuertes críticas al enfoque positivista de la naturaleza de la ciencia, generando una nueva visión de la Historia de la Ciencia y, por tanto, de su naturaleza. Una de las grandes fallas del positivismo es el supuesto de que el conocimiento existe sin la interacción de un sujeto cognoscente. En otras palabras, el conocimiento existe más allá del científico, quien a través de sus investigaciones objetivas descubre las leyes, teorías y principios de la realidad. (Niaz, 1994).

Para la nueva filosofía de la ciencia lo que el científico observa e investiga es una construcción de la realidad de acuerdo con su formación, marco teórico y valores sociales (Glasersfeld, 1989; Piaget y García, 1989). Es decir, en la construcción del conocimiento científico, las observaciones dependen, en parte, de lo que ha sido la formación, experiencias y expectativas del observador, por lo tanto, las mismas no pueden ser tan objetivas, debido a que están impregnadas por el marco teórico del investigador. Se puede decir que esto representa una perspectiva totalmente distinta del origen del conocimiento científico, con importantes implicaciones para la enseñanza, en la medida que aporta soluciones para la crisis contemporánea de la enseñanza, reflejada en la alarmante cifra de analfabetismo científico (Matthews, 1994). Otro aspecto novedoso que plantea la Nueva Filosofía de la Ciencia, es la Metodología de los Programas de Investigación Científica (Lakatos, 1970, 1989), la cual concibe el crecimiento de la ciencia en términos de cambios progresivos y regresivos de problemática para una serie de teorías científicas. Para Lakatos, un programa de investigación consiste, esencialmente, en un núcleo firme, constituido por los postulados fundamentales de la teoría. El núcleo firme es convencionalmente aceptado como irrefutable por decisión provisoria de los seguidores de la teoría. Un programa de investigación también contiene un cinturón protector formado por un conjunto de hipótesis y teorías auxiliares, compatibles con el centro firme, y dos heurísticas, o conjunto de reglas metodológicas, cuya función es indicar qué rutas de investigación deben ser seguidas (heurísticas positivas) o evitadas (heurísticas negativas).

Recientes estudios han analizado la forma cómo los textos de Química General, de cursos básicos universitarios, reflejan la naturaleza de la ciencia y los procesos o eventos históricos que conducen a la elaboración del conocimiento científico. (Chiappetta et al, 1993; Milne, 1998; Niaz, 1998, 2000b, 2001). Las conclusiones de estos trabajos se resumen así: la mayoría de los textos presentan una interpretación positivista/inductivista de la evolución de la Química. Esta interpretación contradice los eventos históricos, tal como ocurrieron, es decir, la ciencia no se desarrolló en forma rectilínea (acumulación de conocimiento, comprobado por los datos experimentales), sino a través de la competencia entre muchos puntos de vista conflictivos que conducían a un aumento del poder heurístico/explicativo de las teorías.

Sobre la base de los antecedentes expuestos anteriormente, esta investigación tiene como propósito fundamental analizar en qué grado la imagen que presentan los textos de bachillerato de la evolución de los modelos atómicos concuerda con el enfoque actual de la historia y la filosofía de la ciencia. A diferencia de los estudios realizados en años anteriores con textos universitarios, el corpus de la investigación estará conformado por los textos de bachillerato (Niaz, 1998, 2000a, 2000b, 2001; Rodríguez y Niaz, 2001a, 2001b). Por lo que será interesante comparar los resultados de ambos para conocer en qué medida el enfoque de los textos de bachillerato sigue la misma tendencia, o no, de los universitarios.

Para la aplicación de los criterios que permitan evaluar el tratamiento que se les da a los textos en el área de la evolución de los modelos atómicos, es pertinente analizar los hechos históricos ocurridos en este período a partir de la literatura sobre el tema. En tal sentido los trabajos de Niaz (1998, 2000a, 2000 b, 2001), constituyen un importante aporte para este tipo de análisis:

La historia de la estructura del átomo, desde finales del siglo XIX y principios del XX, demuestra que los modelos de J. J. Thomson, E. Rutherford y N. Bohr evolucionaron en rápida sucesión y tuvieron que rivalizar con modelos competitivos basados en programas de investigación rivales (Niaz, 1998). Este período histórico de la evolución del conocimiento sobre la estructura del átomo ha sido objeto de considerables debates y controversias en la literatura de la historia y filosofía de la Ciencia (Achinstein, 1991; Falconer, 1987; Heilbron, 1985; Heilbron y Kuhn, 1969; Hettema, 1995; Holton, 1986, 1993; Jammer, 1996; Kuhn, 1984; Lakatos, 1970; Popper, 1965).

Históricamente los rayos catódicos fueron descubiertos por vez primera por Plucker en 1858 (Falconer, 1987), mucho antes de que Thomson llegase a estar interesado en ellos. El punto de vista de este investigador sobre la naturaleza de la electricidad encajaba dentro de la aceptada tradición de la electrodinámica de Maxwell. Para Thomson la electricidad era un estado tenso del éter y la descarga en los tubos de rayos catódicos era una relajación de ese estado, con una consecuente disipación de energía. En el momento en que Thomson realizó sus experimentos, estaba consciente de la controversia con respecto a la naturaleza de los rayos catódicos, la cual giraba en torno a la pregunta: ¿Eran partículas u ondas en el éter? (Achinstein, 1991; Falconer, 1987).

La controversia realmente comenzó en 1879 con el apoyo de Crookes a la teoría de partículas de los rayos catódicos. La desviación de los rayos catódicos por un campo electrostático se consideró una fuerte evidencia a favor de esta teoría. De acuerdo con Niaz (1998), los partidarios de la teoría del éter, Goldstein, Hertz y Weidemann, suministraron evidencias experimentales de que los rayos catódicos no eran desviados por un campo eléctrico, describiendo los rayos como una clase de perturbación etérea similar a la luz. De modo que la discusión sobre la naturaleza de los rayos se convierte en el principio heurístico que estimula la competencia entre programas de investigación rivales que chocan en la fase de la evidencia (Burbules y Linn, 1991; Lakatos, 1970; McMullin, 1985; Niaz, 1994).

A principios de 1897 Thomson efectuó una serie de experimentos cuyos resultados fueron publicados extensamente en la revista Philosophical Magazine (Thomson, 1897). Entre los aspectos resaltantes del artículo de Thomson están: 1) establece que los experimentos tienen como objetivos, específicamente, lograr alguna información en cuanto a la naturaleza de los rayos catódicos; 2) describe la controversia con respecto a la naturaleza de los rayos catódicos y se muestra inclinado a favor de la teoría de partículas; 3) explica la razón por la cual Hertz no pudo obtener una desviación de los rayos catódicos electrostáticamente, debido a que ésta podía ser obtenida solamente cuando el vacío era muy bueno, aspecto que no había sido tomado en cuenta por Hertz; 4) resume las propiedades de los rayos catódicos y señala un aspecto fundamental de sus experimentos: los rayos catódicos son los mismos, cualquiera que sea el gas a través del cual las descargas pasan, y concluye:

Antes de comenzar a desarrollar la teoría del átomo nuclear, Rutherford estaba dedicado al estudio de la radioactividad, especialmente en lo referente a la naturaleza de las partículas alfa. Un problema inesperado llamó la atención de Rutherford y sus colaboradores: la dispersión de las partículas alfa, es decir, la desviación de su propia trayectoria cuando atravesaban la materia. La imaginación creadora de Rutherford desempeñó un importante papel en la resolución de un problema aparentemente secundario. Geiger y su joven ayudante Marsden asumieron el reto planteado por Rutherford: ¿por qué no analizar si cualquier partícula alfa puede ser desviada en un ángulo grande? (Goldstein, 1880; Wilson, 1983). Los hallazgos de Geiger y Marsden (1909) fueron extraordinarios: "Una pequeña fracción de las partículas alfa incidentes sobre el metal cambia su dirección en una forma tal que ellas emergen de nuevo en dirección opuesta al lugar de incidencia" (p. 495). Experimentos adicionales confirmaron el conocido fenómeno de la desviación de partículas alfa, descrito en la mayoría de los textos. Rutherford (1911) publicó su hipótesis del átomo nuclear, por primera vez, en la revista Philosophical Magazine, en mayo de 1911. La controversia con el programa del átomo de Thomson se plantea desde el primer momento en el artículo:

Esta cita refleja una clara alusión al trabajo experimental de Crowther, colega de Thomson, cuyos resultados le permitieron a este último desarrollar la hipótesis de las dispersiones múltiples, como rival para la hipótesis de la dispersión simple postulada por Rutherford (Niaz, 1998). El objetivo de Thomson al establecer esta hipótesis, para explicar la desviación de las partículas alfa en un ángulo muy grande, era defender el centro firme de su programa de investigación del átomo, conocido como el "pudín con pasas", el cual estaba siendo cuestionado por Rutherford con su hipótesis de la dispersión simple:

Bohr arribó a Manchester en marzo de 1912 y luego de realizar algunos experimentos sobre radioactividad sugeridos por Rutherford, comenzó a trabajar en un proyecto para cuantizar su modelo del átomo. En julio de 1912 presentó a la consideración de este investigador un primer proyecto sobre la constitución de átomos y moléculas. Para marzo de 1913 Bohr lo sometió nuevamente a la consideración de Rutherford, después de lo cual fue publicado en la revista Philosophical Magazine en julio de 1913. Los aspectos más importantes del artículo son: 1) explica los experimentos de Rutherford con partículas alfa y su teoría de la estructura del átomo; 2) describe la estabilidad paradójica que presenta el modelo de Rutherford y, aprovecha la oportunidad para descartar el modelo de Thomson:

Los criterios utilizados en este esta investigación fueron tomados, con ligeras modificaciones, de un trabajo previo realizado por Niaz (1998). La aplicación de los criterios permitió la obtención de datos cualitativos para diagnosticar el enfoque de los textos con respecto a la evolución de los modelos atómicos y elaborar las conclusiones del trabajo.

Thomson 1 (T₁): los rayos catódicos son partículas cargadas u ondas en el éter. El texto debe explicar que los experimentos de Thomson tenían como finalidad resolver la controversia relacionada con la naturaleza de los rayos catódicos, pues son partículas cargadas (átomos, iones, moléculas) u ondas en el éter. Este criterio permite visualizar la investigación científica como la competencia entre programas rivales (Achinstein, 1991; Falconer, 1987; Lakatos, 1970; Thomson, 1897).

Thomson 2 (T₂): la determinación de la razón masa/carga (m/e) para decidir si los rayos catódicos eran iones o partículas universalmente cargadas. El texto debe explicar que Thomson decide medir la relación masa/carga para identificar los rayos catódicos como iones (razón no constante) o como partículas universalmente cargadas (razón constante), las que posteriormente denominó electrones (Achinstein, 1991; Niaz, 1994; Thomson, 1897).

Rutherford 1 (R₁): el átomo nuclear. El texto debe explicar que los experimentos de Rutherford con partículas alfa y el modelo resultante tuvieron que competir con un programa rival, específicamente el modelo del átomo de Thomson, mencionado por los textos como "el pudín con pasas" o "uvas en gelatina" (Rutherford, 1911).

Rutherford 2 (R₂): la probabilidad de grandes desviaciones es excesivamente pequeña cuando el átomo es el centro de un campo eléctrico intenso. El texto debe explicar que el argumento crucial que confirmó el apoyo al modelo de Rutherford no fue el gran ángulo de desviación de las partículas alfa (un importante hallazgo), sino más bien, el conocimiento de que únicamente, 1 de 20.000 partículas se desviaron en ángulos grandes (Herron, 1977; Millikan, 1947; Rutherford, 1911).

Rutherford 3 (R₃): desviación de partículas alfa debido a dispersiones simples. El texto debe explicar que el objetivo de Thomson al postular su hipótesis de las dispersiones múltiples (multitud de pequeñas dispersiones que al sumarse hacían una gran desviación), era mantener y defender su modelo del átomo y explicar las grandes desviaciones de las partículas alfa. La rivalidad entre la hipótesis de Rutherford, de la dispersión simple basada en un choque sencillo, y la hipótesis de Thomson de las dispersiones múltiples, llevó a una agria disputa entre los defensores de ambos modelos (Crowther, 1910; Rutherford, 1911; Wilson, 1983).

Bohr 1 (B₁): la estabilidad paradójica del modelo del átomo de Rutherford. El texto debe señalar que el objetivo fundamental de Bohr era explicar la estabilidad paradójica del modelo del átomo de Rutherford, el cual constituía un programa rival para su propio modelo. El aporte fundamental de Bohr fue la cuantización del modelo atómico de Rutherford. (Bohr, 1913; Lakatos, 1970; Niaz, 1994).

Bohr 2(B₂): : explicación de las líneas espectrales del hidrógeno. El texto debe explicar que cuando Bohr postuló su modelo cuantizado del átomo (primera versión de su artículo de 1913), no había oído aún de las fórmulas de Balmer y Paschen, para el espectro de hidrógeno. La teoría de Bohr, sin proponérselo, predijo las series espectrales de Balmer y Paschen (Bohr, 1913; Heilbron y Kuhn, 1969; Lakatos, 1970; Niaz, 1994).

Bohr 3 (B₃): : el profundo vacío filosófico. El texto debe explicar que la incorporación, por parte de Bohr, de la teoría de los cuantos de acción de Planck a la electrodinámica clásica de Maxwell, representó una extraña "mezcla" para muchos de los contemporáneos de Bohr y los filósofos de la ciencia. Este episodio ilustra cómo los científicos, cuando enfrentan dificultades, frecuentemente recurren a tales "injertos" contradictorios (Bohr, 1913; Holton, 1986; Lakatos, 1970; Margenau, 1950).

Análisis de los textos y discusión de resultados Criterio Thomson 1 (T₁): éste plantea la controversia sobre la naturaleza de los rayos catódicos: ¿eran partículas con carga eléctrica o eran ondas en el éter? La tabla 1 muestra que ningún texto de química de noveno grado describe satisfactoriamente (S) o hace mención (M) de los aspectos de este criterio (T₁). Al examinar la tabla 2, se observa que solamente un texto (primer año) plantea satisfactoriamente (S) la polémica entre los defensores de las dos hipótesis. La mayoría de los textos consideran que estos experimentos condujeron al descubrimiento del electrón y sus propiedades.

TABLA 1. EVALUACIÓN DE LOS TEXTOS DE NOVENO GRADO (n = 16) DESDE LA PERSPECTIVA DE LA HISTORIA Y FILOSOFÍA DE LA CIENCIA

TABLA 2. EVALUACIÓN DE LOS TEXTOS DE PRIMER AÑO (n = 11) DESDE LA PERSPECTIVA DE LA HISTORIA Y FILOSOFÍA DE LA CIENCIA

Notación:

T₁ y T₂: Criterios 1 y 2 del modelo de Thomson;

R₁, R₂ y R₃: Criterios 1, 2 y 3 del modelo de Rutherford;

B₁, B₂ y B₃: Criterios 1, 2 y 3 del modelo de Bohr;

S: satisfactorio; M: mención; N: no menciona el criterio.

A continuación se transcribe la cita de Ardila et al (1973) como ejemplo de una descripción satisfactoria (S) del criterio Thomson 1 (T₁):

Había dos teorías al respecto, cada una de las cuales tenía poderosos defensores. Thomson creía que los rayos catódicos eran partículas electrizadas. El punto de vista opuesto sostenía que los rayos catódicos y las partículas electrizadas eran cosas distintas. Aunque los rayos catódicos producían luminiscencia al chocar contra el vidrio, era imposible ver los electrones. El dispositivo que Thomson utilizó consistía en un tubo de vacío. En su interior se encontraban los electrodos: el cátodo, o electrodo negativo en uno de los extremos y el ánodo construido en forma de anillo en la mitad. Los rayos catódicos que parten del electrodo negativo atraviesan el ánodo (electrodo positivo) y chocan con la pared opuesta produciendo una zona de fosforescencia. Acercando un imán se produjo una desviación en la zona luminiscente. La teoría estaba comprobada: los rayos se desviaban. Luego movió el imán de manera que los rayos penetraran en una ranura practicada en el blindaje. El electroscopio conectado con el electrodo que recibía los rayos señaló corriente: los rayos catódicos eran realmente electricidad negativa. Los adversarios no se dieron por vencidos. Estaba bien que los rayos catódicos eran desviados por un imán; pero no sucedía lo mismo cuando se los sometía a la acción de un campo electrostático.... Enrique Hertz había tratado de desviar el rayo por medios electrostáticos pero no lo consiguió. Cabía una explicación: tal vez el vacío no era lo bastante grande y en el interior del tubo quedaba gas en cantidad suficiente como para permitir el paso de corriente entre las placas. Esto perturbaría el campo electrostático. Era necesario vaciar el tubo aún más y probar nuevamente. Esta vez el rayo catódico se desvió. Thomson había demostrado que los rayos catódicos son desviados tanto por campos magnéticos como por los campos eléctricos. Esto solo podía significar una cosa: el rayo catódico no es un rayo, sino un haz de partículas cargadas eléctricamente (pp. 17-18).

Criterio Thomson 2 (T₂): la tabla 1 muestra que, trece de los 16 textos de noveno grado ni siquiera mencionan (N) que el objetivo de Thomson, al diseñar sus experimentos para medir la relación carga/masa de los rayos catódicos, era identificarlos como iones o como partículas, universalmente cargadas, a las que posteriormente denominó electrones. Tres textos no tratan el tema. En la tabla 2, se observa que ninguno de los 11 textos de primer año, hace una descripción satisfactoria (S) del criterio Thomson 2 (T₂) y sólo dos hacen mención (M) del mismo.

Criterio Rutherford 1 (R₁): en las tablas 1 y 2 se observa que ninguno de los 27 textos de la muestra menciona (N) los aspectos históricos contemplados en el criterio Rutherford 1 (R₁). Esto es, los experimentos de Rutherford con partículas alfa y el modelo nuclear resultante tuvieron que competir con un modelo rival, específicamente, el modelo de Thomson. Los textos analizados utilizan la "retórica de conclusiones" para explicar la forma como los experimentos con partículas alfa y sus resultados permitieron a Rutherford postular su modelo.

Criterio Rutherford 2 (R₂): la : la tabla 1 muestra que ninguno de los 16 textos de noveno grado explica satisfactoriamente (S) o hace mención (M) del criterio. Los textos no enfatizan cuál fue la observación crucial que le permitió a Rutherford postular la existencia del núcleo. Por otra parte, la tabla 2 muestra que aunque ningún texto de primer año describió satisfactoriamente (S) el criterio Rutherford 2 (R₂), al menos cinco textos obtuvieron mención (M). La siguiente cita, tomada de Caballero y Ramos (1997), es un ejemplo de mención (M):

Rutherford 3 (R₃): este criterio, se refiere a la polémica entre Rutherford y Thomson, una vez que el primero publicó su modelo nuclear del átomo. De acuerdo con los datos de las : este criterio, se refiere a la polémica entre Rutherford y Thomson, una vez que el primero publicó su modelo nuclear del átomo. De acuerdo con los datos de las tablas 1 y 2, ninguno (N) de los 27 textos analizados menciona los aspectos del criterio. Los autores de textos omiten un aspecto importante de la historia de la ciencia: los defensores de un programa de investigación tienden a mantener el núcleo firme de su programa mediante la reforma del cinturón protector de hipótesis auxiliares (Lakatos, 1970). En el caso de Thomson, la postulación de la hipótesis de las dispersiones múltiples para explicar las grandes desviaciones observadas en el experimento de Rutherford constituye un intento por defender el núcleo firme de su modelo del átomo.

El criterio Bohr 1 (B₁): de los datos de la tabla 1 se observa que ninguno de los 16 textos de noveno grado describe satisfactoriamente (S) este criterio. El objetivo fundamental de Bohr, al postular su modelo, fue justificar la estabilidad paradójica del modelo del átomo de

Rutherford. Solamente dos textos hacen mención (M) de los aspectos del criterio. De la misma forma, la tabla 2 muestra que ninguno de los 11 textos de primer año describe satisfactoriamente (S) el criterio. Cuatro textos hacen mención (M) y siete textos ni siquiera mencionan (N) los aspectos del criterio. Los textos que mencionan (M) el criterio, explican que Bohr aceptó y modificó el modelo nuclear propuesto por Rutherford, al introducir los postulados de la mecánica cuántica, pero no explican que lo hacía con la finalidad de cuantizar el átomo nuclear y así establecer su propio modelo. Los textos sin mención (N) contradicen los eventos históricos, señalados por el criterio, al reflejar el enfoque positivista según el cual Bohr postuló su modelo para explicar la serie espectral de Balmer y Paschen para el átomo de Hidrógeno.

Criterios Bohr 2 (B₂) y Bohr 3 (B₃): de acuerdo con las : de acuerdo con las tablas 1 y 2, ninguno de los 27 textos de Química analizados da una explicación satisfactoria (S) o hace mención de los aspectos contemplados en los criterios Bohr 2 (B₂) y Bohr 3 (B₃). Dado el enfoque positivista que prevalece en la mayoría de los textos, estos resultados no sorprenden. Por ejemplo, para el criterio Bohr 2 (B₂), algunos de los textos señalan que éste mejoró el modelo de Rutherford al introducir los principios de la mecánica cuántica para explicar el movimiento de los electrones en órbitas fijas y las transiciones entre niveles, pero no señalan de forma explícita que ésta fue la contribución fundamental de Bohr.

En líneas generales, los textos analizados mantienen un enfoque positivista de la evolución del conocimiento científico sobre los modelos atómicos, el cual no concuerda con el enfoque actual de la Filosofía de la Ciencia. Es decir, con pocas excepciones, los autores de los textos resaltan los hechos experimentales y el uso del método científico como la única vía para elaborar conocimiento científico válido, generando una visión de la ciencia como un proceso acumulativo (la dicotomía ley-teoría.) Otra evidencia es la abundancia de dibujos esquemáticos de experimentos, gráficos y fórmulas matemáticas que ilustran los textos. Se puede decir que, aun conociendo el enfoque de la nueva Filosofía de la Ciencia, los autores de textos mantienen el núcleo firme de sus creencias o teorías.

En el caso del modelo atómico de Bohr (criterios B₁, B₂, B₃) los libros, en general, presentan la secuencia: datos experimentales sobre espectros de los elementos? Ley de Balmer? Teoría de Bohr. De acuerdo a Lakatos (1970), esta secuencia representa un ascenso inductivo Baconiano (Blanco y Niaz, 1997) y es utilizado frecuentemente por los historiadores de visión positivista. Este episodio es ilustrativo de que muchas veces las teorías se construyen de una manera inconsistente/contradictoria. Los hechos históricos muestran que Bohr al comenzar su trabajo no tenía conocimiento de la ley de Balmer y por lo tanto no podía contribuir a esta secuencia inductiva.

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