El átomo (III): Y llegó Niels Bohr

Este artículo continúa la breve saga sobre la historia de los modelos atómicos que comenzó la semana pasada con El átomo (I), donde explicábamos las prematuras ideas de Demócrito, Dalton y el descubrimiento del electrón y El átomo (II), donde vimos el primer modelo de átomo del siglo XX.

El modelo que lo revolucionó todo fue el que postuló, en 1913, el genio Niels Bohr. Es muy conocida la anécdota de uno de sus exámenes de Física en la Universidad, en la que demuestra una gran rapidez mental y creatividad. También se sabe que esta anécdota es una invención del Dr. A. Calandra publicada en los años 50. En cualquier caso, sus aportaciones a la Física son indiscutibles. Propuso el modelo atómico que explicaremos a continuación gracias al cual se explicaban los espectros atómicos y las propiedades químicas periódicas. Estudió la radiación y sentó las bases para la dualidad onda-corpúsculo. Identificó al uranio 235 como el responsable de la fisión nuclear y elaboró el modelo de la gota líquida. En sus últimos años de vida, trabajó defendiendo el uso pacífico de la energía nuclear.

Niels Bohr
Niels Bohr

Pero, dejémonos de biografiar a Bohr y de dar datos. ¿En qué consiste su modelo? Es el primer modelo atómico que explica fenómenos empíricos utilizando las nuevas leyes de la Física Cuántica. Bohr explicó su modelo mediante tres postulados.

  • Los electrones orbitan el núcleo sin emitir energía.
  • Sólo ciertas órbitas, en las que el momento angular sea múltiplo de la constante de Planck (recordad su importancia en Cuántica), están permitidas.
  • Un electrón puede ascender a una órbita superior si absorbe energía. Al bajar a una órbita inferior, emitirá esa energía.

Gracias a esto (y a un montón de fórmulas que dio) consiguió explicar por qué el espectro de emisión del hidrógeno era como era. El modelo de órbitas explicaba también porqué los elementos de un mismo grupo, que tienen la última órbita de electrones en común, se comportaban (químicamente) de forma parecida.

Espectro del Hidrógeno
Espectro del Hidrógeno

Esto fue un enorme avance en la época, especialmente porque demostró que la Cuántica podía explicar fenómenos tan importantes como la composición de la materia en su nivel más elemental y la reactividad química. Más tarde, con las aportaciones de De Broglie, Einstein, Pauli, Heisenberg y Schrödinger, entre otros, se descubriría que los electrones en realidad no orbitan sino que se comportan como ondas, que los núcleos también tienen estados cuánticos y que no todo es tan sencillo como parece. Pero eso es otra historia…

Los artículos de Bohr pueden verse en PDF: Parte I (Philos. Mag. 191326, 1) y Parte II (Philos. Mag. 1913, 26, 476).

La mayor parte de imágenes para el especial se han obtenido de aquí, y los enlaces de distintas páginas de la Wikipedia. El especial consta de tres partes, a saber:

El átomo (II) – Electrones

Como dijimos el otro día, en el siglo XX el modelo atómico del pudín de Thomson iba a ser rechazado y renovado por completo, por muy apetecible que fuera su idea.

Fue Ernest Rutherford quien, en 1911, tres años después de ganar su premio Nobel en Química, demostró que el modelo de pudín no tenía sentido. Si una lámina de mica se bombardeaba con partículas alfa (que tienen carga positiva), éstas se desviaban un poco de su trayectoria. Si se hacía lo mismo sobre una lámina de oro, las partículas alfa se desviaban todavía más. Si el átomo era una masa homogénea y sin carga, esto no tenía sentido.

Tenía que haber un punto en el que se concentrara la carga positiva. Las partículas alfa, al pasar cerca de esta parte, se verían inevitablemente repelidas.

Así pues, sugirió que el átomo debería tener dos partes claramente diferenciadas: un núcleo de carga positiva y que concentraría casi toda la masa del átomo y una corteza, en la que orbitarían los electrones. Algo parecido había sugerido años antes el japonés Nagaoka, citado en el artículo original de Rutherford de 1911 (puedes descargar el artículo en PDF aquí).

Hoy se sabe que el átomo es algo más o menos parecido, pero entonces, cuando no se conocía el neutrón (una partícula sin carga que permite que los protones no se repelan y formen el núcleo que no fue descubierta hasta 1932) y todavía estaban vigentes las leyes de la Física Clásica (según las cuales el modelo de Rutherford es totalmente inviable, ya que los electrones habrían de precipitarse en picado hacia el núcleo) la cosa no estaba tan clara. Hasta que llegó Niels Bohr.

El átomo (I) – El pudín de pasas

Hoy, todos sabéis que la materia está compuesta por unas cositas diminutas llamadas átomos. Nosotros somos un montón de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, fósforo y nitrógeno, mayoritariamente. Un lingote de oro está hecho de millones de átomos de dicho metal. Pero, ¿qué es un átomo? ¿Por qué se llaman así? ¿Hay cosas más pequeñas?

El átomo debe su nombre al griego Demócrito. Fue él quien dijo que la materia estaba hecha de partículas pequeñas que, según él, no se podían dividir. Las llamó átomos, que en griego significa indivisible. Newton, en su época, fue un firme defensor de las teorías de Demócrito en el siglo XVII y fue John Dalton quien, más tarde, reutilizó estas ideas en su Teoría Atómica y sentó las bases de la Química moderna.

De todas formas, el hecho de que el átomo fuera indivisible no duró mucho. A finales del siglo XIX, J.J. Thomson demostró, gracias a un tubo de rayos catódicos, que dentro de los átomos había unas partículas más pequeñas de carga negativa a las que se bautizó como electrones (¿os suenan?). Tras este descubrimiento, postuló que los átomos deberían ser como un pudín de pasas. La masa esponjosa del pudín estaría cargada positivamente y espolvoreada de manera aleatoria con pasas (electrones) negativos que acabarían compensando la carga.

Modelo de Thomson del pudín de electrones
Modelo de Thomson del pudín de electrones

Pero todas estas teorías iban a cambiar en el siglo XX con nuevos experimentos y, sobre todo, iban a cambiar con las nuevas ideas que trajo a la ciencia la Física Cuántica.