Tres modelos atómicos que quizá no conocías

Este año se cumple el centenario del modelo atómico de Bohr. Es el que todavía hoy, a pesar de ser incompatible con principios básicos de la física cuántica, como el de incertidumbre, se sigue explicando para introducir a los estudiantes en el mundo cuántico. Curiosamente, en los libros de texto tan sólo se mencionan dos modelos atómicos anteriores al de Bohr: el de Thomson y el de Rutherford; y esto es de una sobresimplificación alarmante.

Leyendo la descripción habitual, a saber,

modelo de Dalton => descubrimiento del electrón => modelo de Thomson => experimentos de Geiger y Marsden => modelo de Rutherford => física cuántica v 1.0 => modelo de Bohr

a uno le queda la sensación de que el desarrollo del modelo de Bohr es algo lineal y que todo se deduce de lo anterior de manera lógica, sólo con esperar el experimento o la idea adecuada. Y esto no es así. Para ilustrarlo vamos a conocer sólo tres de los modelos atómicos sugeridos antes del modelo de Bohr (hay varios más).

Cada uno tiene su lógica y su fundamento; todos o bien pasaron desapercibidos o tuvieron vidas breves, habida cuenta de la rapidez con la que descubrían nuevas leyes y se realizaban más experimentos. Para los modelos consagrados los enlaces serán de ayuda para quien quiera conocer más.

Las mónadas físicas de Lomonósov

Habitualmente la teoría atómica moderna se suele afirmar que empieza con John Dalton. Y a efectos prácticos, efectivamente es así, porque fueron sus ideas las que se propagaron por la comunidad científica y fructificaron. Pero la primera teoría atómica moderna no se formuló ni en Inglaterra ni en Francia, sino en Rusia 60 años antes de que lo hiciese Dalton.

Fragmento de la carta de Lomonósov a Euler del 5 de julio de 1748 en la que expresa el principio de conservación de la materia

Fue Mijail Vasílievich Lomonósov entre 1743 y 1744 con una serie de artículos, el primero de los cuales deja claro su visión atomista de la materia ya en el título: “Sobre las partículas físicas intangibles que constituyen las sustancias naturales”. A este artículo le seguiría otro sobre lo que hoy entendemos como enlace químico “Sobre la adhesión de los corpúsculos”. En el tercero de la serie, ante la necesidad de referirse a las partículas o corpúsculos de materia de una manera diferenciada aparece el nombre elegido “Sobre la adhesión y la posición de las mónadas físicas”. Lomonósov obviamente había leído a Leibniz, y le tomó prestada la palabra mónada con el apellido física para diferenciarla.

Las mónadas de Lomonósov tenían forma, peso y volumen y las empleó para explicar la naturaleza del calor y la elasticidad de los gases en función del movimiento de partículas, anticipando la teoría cinética de los gases de Krönig de 1856 en once años, y descartando la existencia del flogisto 30 años antes que Lavoisier. Nadie le hizo caso en Occidente (salvo Euler).

El oscilador electrónico de Lorentz

Dinamómetro (Wikimedia Commons)

En muchos textos se suele citar a J.J.Thomson como descubridor del electrón. Y es cierto, sus experimentos de 1897 con Townsend y Wilson no dejan lugar a dudas. Sin embargo, la teoría electrónica venía dando sus frutos ya desde 1892. En esa fecha Hendrik Lorentz comenzaba una serie de artículos en los que utilizando un átomo ideal pudo explicar una propiedad de la materia tras otra: la conducción de la electricidad o del calor, el comportamiento dieléctrico, la reflexión y la refracción de la luz, etc. Para ello aparte de su modelo atómico sólo necesitó cuatro ecuaciones que gobiernan cómo responden los campos eléctricos y magnéticos a la carga eléctrica y su movimiento, y una adicional que especifica la fuerza que esos campos ejercen sobre la carga. Este conjunto de ecuaciones se conocen por el nombre de su autor, Maxwell.

Y, ¿en qué consistía el modelo atómico de Lorentz? Pues en algo muy simple: el átomo sería una masa dada, llamémosla núcleo, aunque no tenemos que postular que tenga carga alguna, unida a otra menor (el electrón) por un muelle (suena raro, pero es sólo para que te hagas una imagen). El muelle se pondría en movimiento cuando un campo eléctrico interactuase con la carga del electrón. El campo atraería o repelería al electrón lo que resulta en que el muelle se estiraría o comprimiría.

Lorentz, como es lógico, no suponía que hubiese ningún muelle físico conectando electrón y núcleo; sin embargo sí postuló que la fuerza que unía a los dos podría ser descrita por la ley de Hooke, que es la misma que describe a los muelles (y a los dinamómetros). Una aproximación que es válida hasta en algunas consideraciones de la mecánica cuántica.

Por cierto, la conferencia que Lorentz dio cuando recibió el Nobel de física en 1902 iba sobre, efectivamente, la teoría del electrón, aunque el premio se lo hubiesen dado con Zeeman por la explicación de los efectos del magnetismo sobre la radiación.

El modelo planetario de Nagaoka

Tras el descubrimiento del electrón era lógico pensar que la existencia de átomos neutros implicaba la existencia de una parte positiva en ellos. En 1903 Thomson propuso el modelo del pudin de pasas, esto es, que el átomo era una esfera de electricidad positiva uniforme con los electrones incrustados como las pasas en el pudin.

Hantaro Nagaoka consideró el modelo de Thomson inviable en cuanto terminó de leer el artículo en el que se describía: las cargas opuestas eran impenetrables desde su punto de vista. Él propuso un modelo alternativo en 1904 en el que el centro cargado positivamente es muy masivo y está rodeado por electrones que lo orbitan a una distancia y unidos él por fuerzas electrostáticas. En su mente estaban Saturno y sus anillos.

Los experimentos de Geiger y Marsden de 1909 con el pan de oro dieron una primera confirmación experimental al modelo de Nagaoka. En el artículo de 1911 en el que Rutherford presentaría su famoso modelo en el que se propone la existencia del núcleo atómico cita a Nagaoka. Pero en 1908 el propio Nagaoka había renunciado a su modelo al darse cuenta de que los anillos se repelerían entre sí, haciendo el modelo inestable.

Basten estos tres ejemplos para ilustrar lo que decíamos al principio, que el desarrollo de la ciencia no es tan lineal como los libros de texto nos hacen creer. Hay algunos modelos interesantes más, algunos de ellos cuánticos, que preceden al de Bohr. Pero quedarán para otra ocasión.


8 Comentarios

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Dani

He de reconocer, para mi vergüenza, que el de Nagaoka no lo conocía.

Gracias, César. Formidable.

Gabriel

Magnífico artículo. Es la forma correcta de presentar los avances científicos: no como un camino inexorable y lineal sino como un complejo proceso donde múltiples explicaciones se abren paso o no hacia una visión de mundo, que probablemente mañana también vaya a cambiar.

Saludos.

GonzaloGonzalo

Queda sin embargo la sensación de que una vez que se avanza sobre un camino no se vuelve hacia atrás a revisar las otras opciones que se planteaban.

HUBHUB

Pues a mi siempre me queda una especie de “desazón” cuando pienso que quizá podría haber un camino más sencillo que nos habría llevado a otro sitio más sencillo.

josean.hdjosean.hd

Me ha encantado el artículo.
Una pequeña duda. Si Lomonósov vivió a medidados de 1700, ¿cómo pudo anticipar la teoría cinética de los gases de Krönig de 1856 en SOLO once años? No me cuadran las fechas.
Un gran blog y gracias por contarnos todas estas historias tan interesantes.

Carlos SanchezCarlos Sanchez

Un articulo interesante, la verdad es que no conocia varios de estos modelos. Ojala los enseñen en los libros de texto en el futuro porque creo que no se puede reducir todos los modelos en tres personajes como sucede en mi libro de texto… Todos merecen algo de reconocimiento.

Kevin FernándezKevin Fernández

Desconocía estos modelos, y me parece un gran artículo, discrepo sólo en considerar que no se enseñen estos modelos algo “alarmante”.

Quiero decir, no me malinterpreten, cuanto más se consgia transmitir sobre el carácter de los científicos, su ingenio y sus investigaciones mejor.
Pero si hay que explicar cada “idea feliz” que tuvo alguna vez un científico pues tampoco habría tiempo, el tiempo que se tiene es el mismo.

Sin conflictos …

1 Trackback

[…] Este año se cumple el centenario del modelo atómico de Bohr. Es el que todavía hoy, a pesar de ser incompatible con principios básicos de la física cuántica, como el de incertidumbre, se sigue explicando para introducir a los estudiantes en el mundo cuántico. Curiosamente, en los libros de texto tan sólo se mencionan dos modelos atómicos anteriores al de Bohr: el de Thomson y el de Rutherford; y esto es de una sobresimplificación alarmante.  […]

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