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:

¿Qué narices es la Física Cuántica?

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La Física es la ciencia que estudia las propiedades del espacio, el tiempo, la materia, la energía, y las interacciones entre éstas, como son la inercia, los campos gravitatorios, el movimiento, etc. La Física Cuántica es la parte de la física que explica aquellos fenómenos que no se pueden entender mediante las reglas de la física clásica, fenómenos para los que la Dinámica de Newton (¿recuerdas las tres leyes de Newton?) o el Electromagnetismo resultan teorías inútiles.

Esto es debido a que a distancias de millonésimas de centímetro, espacio, tiempo, materia y energía no se comportan igual que a distancias macroscópicas, por lo que las teorías clásicas no sirven. La Física Cuántica Teórica estudia los componentes más pequeños de la estructura de la materia para los cuales todas esas reglas son distintas, para procurar establecer unas ecuaciones válidas con las que comprender cuál es el orden que rige los elementos más básicos de la realidad, que son los átomos y sus componentes. Existen multitud de teorías cuánticas, todas ellas aplicadas a los diferentes ámbitos físicos: Electrodinámica Cuántica, Óptica Cuántica, Química Cuántica… sin embargo, todas ellas coinciden en los postulados y formulaciones elementales.

Primero: que la energía está cuantizada, (de ahí el nombre de cuántica) es decir, que toma únicamente valores determinados, que son múltiplos de una cantidad determinada.

Y segundo, que las partículas se comportan y se puede operar con ellas como si fueran ondas, y viceversa, es lo que se llama dualidad onda-partícula. Ambos principios cambian por completo la forma de comprender la Física, y son la única forma de explicar multitud de fenómenos que de otra forma resultarían totalmente absurdos o incomprensibles, como las propiedades de los quarks, o la posición de los electrones en una órbita atómica.

Os explicaré todo esto y mucho más en próximos artículos de Electrones Excitados.

Imagen de Catedratico.com.ar