09 – Hidrógeno, tú serás el primero

Niels Bohr (I)
#RelatosRadiactivos

Os traemos el noveno de los #RelatosRadiactivos de #NuclearEspaña, una forma diferente de aproximarse a la ciencia y tecnología nuclear, por @gon_nuclear. Hoy conoceremos las dificultades que el joven Bohr se encontró en la creación de su modelo atómico.

Niels se estaba empezando a desquiciar. Sus conversaciones de los últimos meses con Hevesy y Darwin le habían calentado la cabeza. Rutherford se negaba a aceptar sus hipótesis, apenas unas meras intuiciones sin fundamento experimental. Parecía un problema sin solución. Si —tal y como había enunciado Rutherford en su modelo—, el átomo se componía de un núcleo central con electrones girando de alguna forma a su alrededor, ¿por qué no se caían al núcleo al perder su energía por radiación? Las leyes de Maxwell lo predecían claramente. A Niels le llevaban los diablos.

Aquella noche había una espléndida luna llena en el límpido cielo de Copenhague. Niels la miraba suplicando una respuesta por su parte o, al menos, una inspiración. Qué suerte tienes tú, Luna, que giras en torno a la Tierra sin caerte —musitó, con una sonrisa melancólica. Un momento —pensó—, ¿y si los electrones girasen como los planetas en torno al Sol? ¿Y si no se cumpliese que pierden energía por radiación dentro del átomo? ¿Y si Maxwell estuviese equivocado para escalas atómicas?

No, no, no, no puede ser, qué estoy diciendo, veo la cara de Rutherford oyendo estas tonterías y se me descompone el cuerpo, ¡yo, apenas un crío, corrigiendo las teorías de Maxwell y presentando su cabeza en una bandeja de plata al mayor científico atómico del mundo! Sería el hazmerreír —pensó Niels. Se sentó en su mesa, cogió lápiz y papel y tomó aire. Comenzó a mordisquear nervioso el extremo de su lápiz con la mirada fija en el infinito.

Seamos prácticos, Niels —pensó, tras un rato en blanco. Ninguna hipótesis está equivocada hasta que se demuestre lo contrario. Echemos las cuentas. Hidrógeno, tú serás el primero —dijo apuntando su dedo a la primera casilla de su tabla de Mendeléiev.

Figura 1. Niels Bohr de joven. Fuente: Wikimedia Commons

En 1911, un joven estudiante de posdoctorado danés llegó al laboratorio en Cambridge del famosísimo científico J.J. Thomson —descubridor del electrón en 1897— ilusionado por profundizar en sus conocimientos sobre la recién inaugurada física atómica. Llevaba una tesis doctoral mal traducida al inglés en la maleta y un puñado de frases en la lengua de Shakespeare que no darían para una discusión compleja.

Pero Niels Bohr no encontró allí lo que buscaba. Thomson apenas tenía tiempo para él y era más amigo del trabajo experimental constante que de las discusiones sin fin de la física más teórica. Por suerte, en una cena en el Trinity College, conoció a Ernest Rutherford, el afamado físico de la Universidad de Manchester que trabajaba día y noche para desentrañar los misterios de la radiactividad y la estructura atómica. Bohr decidió abandonar Cambridge para irse a Manchester con Rutherford.

En aquellos momentos, el modelo de Rutherford, que consideraba que los átomos estaban formados por un núcleo de carga positiva rodeado por electrones de carga negativa, estaba en discusión por sus pares científicos de todo el mundo. Dicho modelo no causaba un entusiasmo muy grande, se pensaba que era una artimaña teórica que solucionaba el problema de la interacción con las partículas alfa. Pero dos científicos de Manchester —George de Hevesy y Charles Galton Darwin (nieto de Charles Darwin)— comenzaron a darle a Bohr material para pensar sobre el resultado de los experimentos de Rutherford y la concepción de su modelo. Bohr llegó a la conclusión de que la emisión de partículas β (electrones) debía tener alguna relación con la configuración de los núcleos, hecho no demostrado experimentalmente y que Rutherford no apoyó por ser demasiado especulativo y poco basado en evidencias científicas. Ese fructífero debate llevó a Bohr a una de las preguntas que determinaría su carrera científica: ¿cuál debía ser la distribución de electrones en el átomo? ¿Cómo podría obtener una evidencia experimental de su teoría?

En 1912, Bohr vuelve a Dinamarca y consigue un puesto de profesor de física en la universidad para estudiantes de medicina y otras carreras. Después de un noviazgo de años, por fin se casó con su querida Margrethe, disfrutando la pareja de un singular viaje de bodas… ¡en Cambridge y Manchester! Margrethe fue una persona de gran importancia para conseguir que Bohr aterrizase sus ideas en un lenguaje comprensible, ya que fue siempre su primera lectora y le ayudaba a transcribir y revisar sus publicaciones.

Bohr tenía más de un quebradero de cabeza por solucionar para llevar a cabo su modelo teórico. En primer lugar, las leyes de Maxwell predecían que los electrones en movimiento circular dentro del átomo irían perdiendo su energía por radiación hasta caerse en el núcleo. Por otra parte, se sabía que los espectros de energía emitidos por los átomos al calentarse eran discretos (franjas), Figura 2, y no continuos e imposibilitaban explicar de forma clara que dichos espectros se podrían deber a la pérdida energética de los electrones.

Figura 2. Espectro de emisión de una lámpara de halogenuro metálico. Referencia: Wikimedia Commons

En un momento de lucidez, Bohr resucitó la hipótesis de Planck: los intercambios de energía por radiación se realizaban en pequeños paquetes de energía, no todos los intercambios estaban permitidos. Albert Einstein y Mileva Marić habían utilizado tal hipótesis con éxito en 1905 para explicar el efecto fotoeléctrico.

Bohr comenzó por el átomo más simple: el del hidrógeno. Visualizó un modelo “planetario” de órbitas electrónicas en las cuales los electrones giraban alrededor del núcleo como los planetas en torno al Sol. Y tomó una de las decisiones más arriesgadas y difíciles de su vida: decidió olvidarse por el momento de la hipótesis clásica que haría perder energía a su único electrón hasta caer en el núcleo, ya que suponía que fuera como fuese, el electrón giraba en una órbita alrededor del núcleo que debía de ser estable porque el hidrógeno no se destruía a sí mismo. Asumió que ese estado estable significaba que el electrón estaba en su estado de mínima energía o “estado fundamental” y que cualquier cambio a otra órbita significaba que estaría en un estado de mayor energía o “estado excitado”. Completó la imagen suponiendo que los electrones solo podían estar en unas órbitas concretas para que encajase con el hecho de tener emisiones discretas de energía que eran las que se visualizaban en los espectros atómicos. De esta manera, cuando un átomo se “calentaba”, su electrón progresaba a una órbita de mayor energía y cuando este electrón perdía energía, volvía a una órbita de menor energía emitiendo una cantidad discreta de energía que se registraba en las bandas del espectro atómico de ese átomo, Figura 3. La distancia entre órbitas de energía era proporcional a la constante de Planck. El círculo se había cerrado.

Figura 3. Emisión de energía por un electrón que transita a una órbita de menor energía. Referencia: Wikimedia Commons.

El gran mérito de Bohr en la construcción de su modelo atómico fue aplicar por primera vez las hipótesis cuánticas a las teorías de concepción del átomo, utilizando además datos espectrales para demostrar la bondad de sus hipótesis. Y para ello tuvo que renunciar temporalmente a la coherencia con la física clásica, ayudando a consolidar una nueva era cuántica.

Con estas hipótesis, Bohr consiguió explicar el espectro del átomo de hidrógeno, pasando de las especulaciones a una teoría demostrable experimentalmente. Pero no hubo fuegos artificiales en 1913 cuando Bohr publicó su hazaña. Su modelo atómico abría tantos interrogantes como resolvía: ¿por qué los electrones no seguían las leyes de Maxwell y permanecían en órbitas concretas de forma estable? ¿Qué pasaba si un electrón se quedaba a mitad de camino entre un orbital y otro? Para resolver muchas de esas cuestiones fue necesaria la entrada de nuevos actores a la arena de la física atómica, entre ellos: Arnold Sommerfeld, Wolfgang Pauli, Louis De Broglie, Max Born, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger.

Bibliografía para saber más:

¡Recibe nuestra newsletter!

    Los datos facilitados por usted son tratados por Sociedad Nuclear Española conforme al Reglamento UE 2016/679 de Protección de Datos, con la finalidad de gestionar sus peticiones, responder consultas, trámite administrativo, estadístico y el envío de comunicaciones de SNE, sobre su actividad, eventos, etc. No está prevista la cesión de datos (salvo precepto legal) ni transferencias internacionales de datos; y a través de la Política de Privacidad dispone de todos los derechos que le asisten en materia de privacidad.