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:

Lo importante que es conectar bien los cables

Seguro que todos recordáis cómo hace unos meses muchos científicos ponían el grito en el cielo. Einstein se había equivocado. Había varios experimentos del CERN que demostraban que los neutrinos (¿recuerdas qué son?) viajaban más rápido que la luz, lo cual contradecía la Teoría de la Relatividad.


Muchos medios sacaron titulares lapidarios. Otros fueron más cautelosos y recalcaron lo necesarios que eran nuevos experimentos antes de tirar por tierra la ley de Einstein, pese a que los neutrinos habían desafiado al físico alemán en dos ocasiones (septiembre y noviembre de 2011).

Ayer por fin se publicó una explicación lógica a todos estos fenómenos extraños. Gracias a @sotolon descubrí este artículo del blog ScienceInsider de la prestigiosa revista Science en el que aclaran que, por lo visto, el hecho de que los neutrinos llegaran 60 nanosegundos antes de lo previsto se debía a que había un cable mal conectado entre un receptor de GPS y un ordenador.

According to sources familiar with the experiment, the 60 nanoseconds discrepancy appears to come from a bad connection between a fiber optic cable that connects to the GPS receiver used to correct the timing of the neutrinos’ flight and an electronic card in a computer.

De nuevo, hay que ser cautelosos. Y habrá que ver si se hacen nuevas medidas (con el cable bien puesto) que sigan cumpliendo, tal y como deberían, las Leyes de la Física. Os dejo con una frase que me mandó mi amigo Ricardo (@sotolon) ayer y que me encantó: «afirmaciones excepcionales requieren pruebas excepcionales».

Luces y metales

Hace un tiempo ya hablamos de cómo la cuántica muestra fenómenos tan diferentes a la física clásica y de cómo hace falta hacer virguerías para entender ciertos fenómenos. Uno de ellos fue la explicación del problema de la radiación del cuerpo negro, que ya explicamos. Pues bien, hoy vamos a hablar de otro fenómeno explicado a raíz de éste y totalmente genuino y alucinante, que constituyó toda otra revolución en la física. Se trata de cómo Einstein explicó teóricamente el efecto fotoeléctrico .

Bueno, ¿qué es eso del efecto fotoeléctrico? Los científicos de entonces se habían ya dado cuenta de que a veces, la luz que incidía sobre un metal, provocaba que éste desprendiera electrones. Bueno, era algo curioso, desde luego, así que se pusieron a investigar por qué pasaba… y razonaron lo siguiente: si cierta luz tenue incidiendo sobre un metal, arrancaba un número x de electrones. Si la luz fuera más intensa debería arrancar más electrones, así que pusieron más vatios de luz a incidir sobre el metal. Pero no pasaba nada, seguía arrancando los mismos electrones.

A esas alturas ya estaban acostumbrados a que la cuántica les diera sorpresas de ese estilo así que no se dejaron amedrentar, por lo que no vacilaron en pensar lo siguiente: la luz viene de un filamento de metal caliente, que emite energía, por lo que más intensidad, más energía, así que los electrones que arrancamos serán los mismos, pero llevarán más energía. Lógico. Bueno, pues tampoco pasaba eso. Más luz, igual número de electrones, igual energía.

Una bombilla de la mesita de noche arrancaba los mismos electrones que el foco del faro del pueblo. Eso les deprimió, porque significaba que no tenían ni idea del porqué del efecto fotoeléctrico. Es más, al seguir enredando con las luces, se dieron cuenta de que había algo que sí cambiaba el número de electrones arrancados: el color de la bombilla. Imaginaos qué sinsentido: la bombilla violeta no arranca electrones. La azul y la roja en cambio sí, y además la azul arrancaba más electrones, pero los mismos todo el rato, fuese de la intensidad que fuese su bombilla, por lo que el número y la energía de los electrones dependía sólo de la frecuencia de la luz, (lo que a nuestros ojos es color). No se entendía por qué.

Pero había un hombre llamado Albert Einstein. Einstein sabía de los trabajos de Planck (¿os acordáis?) y pensó así: la luz es energía que proviene de las partículas de la materia, que vibran produciéndola. Planck dijo que ésta energía solo existe en cuantos o paquetes pequeños es decir nivel 1, 2, 3… pero nunca 1.5 o 2.00004, sino siempre múltiplos enteros. Así que la energía que emiten también ha de ser emitida en trozos, que llamó fotones. Por lo tanto, el metal desprenderá electrones si los cuantos de luz son del nivel de energía adecuado, pero no por más que sean muchos, es por eso que si hemos dado con la frecuencia o el color de luz adecuado para arrancar electrones, más fotones no dan más electrones, sólo si su energía es más alta, esto es, más hacia el color violeta. Einstein además calculó numéricamente el valor de energía de un fotón. Más tarde se descubrió que todas sus predicciones eran ciertas.

Pregúntanos de forma fácil

Si tienes una duda existencial sobre Ciencia y Tecnología, aquí están los Electrones en una red social más para solucionarla. Es Formspring, una plataforma en la que podréis hacer cualquier pregunta: basta con escribirla y apretar un botón. Nosotros prometemos contestarla lo antes posible.

Puedes entrar aquí: formspring.com/electrones

Por cierto, disculpadnos por la sequía de artículos de estos últimos días, pero tres electrones estamos de mudanzas y otros dos con muchísimo trabajo. Pero no os preocupéis, ya tenemos una serie de artículos interesantísima en el tintero de la mano de nuestra corresponsal en Bélgica Irene.

XI. Gravedad esquiva

EXPO_ASPERA_PROP2_G.pdf (p?na 11 de 15)

Los fenómenos más violentos, como la formación de agujeros negros, explosiones de supernovas, colisiones de dos estrellas de neutrones, hacen vibrar el espacio-tiempo. Como un eco, las ondas gravitacionales generadas deben invadir todo el Universo. Escuchando estas vibraciones casi imperceptibles, algunos instrumentos ultra sensibles, capaces de detectar fluctuaciones tan pequeñas como la milmillonésima de un diámetro atómico, observan el espacio incansablemente para identificar estas sacudidas del Universo.

Según la Relatividad de Einstein, la presencia de materia curva el espacio-tiempo. Una explosión estelar debería producir ondas gravitacionales, moviéndose a la velocidad de la luz. Una de las posibilidades para detectarlas es colocar en el espacio, en superficie, o bajo tierra interferómetros láser extremadamente sensibles, como el proyecto ET (Telescopio Einstein). Estos experimentos intentan medir con gran precisión el movimiento infinitesimal de masas suspendidas libremente, que podrían revelar la existencia de irregularidades en el espacio-tiempo provocadas por algún lejano cataclismo cósmico o incluso por la gran explosión primordial: el Big Bang.

Imagen: «Choque de dos agujeros negros y la onda gravitacional generada», una simulación de la NASA.

Magia y astropartículas

Hace muchos días que no he podido escribir nada por aquí, y es que he estado preparando junto con mis amigos Adrián Coso y Carlos Pobes una charla-espectáculo sobre astropartículas. En ella explicamos qué son los rayos cósmicos, los neutrinos, las ondas gravitacionales, la materia oscura… y todo eso con un toque de magia para entender los fenómenos físicos mucho mejor.

Actuamos en la 69ª Feria General de Zaragoza en el Pabellón CAI y acabamos de volver de actuar en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de La Laguna (Tenerife) y en la Maratón de Astropartículas organizada por la Universidad de Alcalá de Henares.

Finalizamos la mini gira en casa, en la Facultad de Ciencias de la UZ el miércoles 21 a las 20h, estáis todos invitados. Aprenderéis mucho y os reiréis mucho también (o esa es nuestra intención).

Qué ordenadico era Albert Einstein

Cada vez que me diga: «uy, qué desordenada tengo la mesa«, me recordaré a mí mismo éstas imágenes y me sentiré mucho mejor.

Así de ordenadico tenía el escritorio de su despacho en Princeton Albert Einstein. La verdad es que era un poco caótico, sí, pero mucha gente afirma que el caos puede ser mucho más productivo que un orden demasiado escrupuloso. De hecho el mismo Einstein afirmaba:

If a cluttered desk signs a cluttered mind, Of what, then, is an empty desk a sign?

Que, para los que no sepáis inglés, significa: «Si un escritorio abarrotado denota una mente abarrotada; ¿qué significa entonces un escritorio vacío?» Da que pensar…

Espero que os gusten las fotos, las he encontrado en Fogonazos y forman parte del archivo de la Revista Life que hace poco Google subió a Internet.

¡Un abrazo!

Fernando