El genio de Bohr

Niels Bohr

En la apasionante historia de la física de finales del XIX y primera mitad del siglo XX, llena de hombres y mujeres eminentes, la figura de Niels Bohr es una de las que destacan. Sin embargo, y de forma habitual, Niels Bohr suele aparecer como alguien ya maduro, influyente y asentado, que se dedica a polemizar con Einstein y sentar las bases, junto a su grupo de destacados alumnos, de la llamada interpretación de Copenhage de la mecánica cuántica. Pocos conocen la osadía a la que se atrevió cuando tenía apenas 25 años y que le granjeó esa autoridad a nivel mundial en la nueva física.

El modelo atómico más popular de la historia contemporánea es, sin lugar a dudas, el átomo de Rutherford: un átomo cargado positivamente rodeado de un número de electrones con carga negativa. ¿Qué impide que los electrones “caigan” hacia el núcleo empujados por la atracción eléctrica? Una posible respuesta es que el átomo puede que sea como un sistema planetario, con los átomos girando en órbitas alrededor del núcleo (esta imagen es la que se suele representar popularmente al hablar de átomos). Un planeta que órbita el Sol debe estar sujeto a una fuerza atractiva hacia el centro, de otro modo el planeta seguiría su camino tangente a la órbita. En el caso de los planetas esta fuerza es la atracción gravitatoria del Sol sobre el planeta. Rutherford sugirió que la fuerza eléctrica podría ser la equivalente a la gravedad. Y todo estaría bien si no fuese por James Clerk Maxwell y sus leyes.

Según las leyes de Maxwell una partícula cargada irradia energía cuando se acelera. Que algo se acelere significa que cambie su velocidad. Con este término “velocidad”, con lo común que es, suele haber dificultades en español. La magnitud que marca el instrumento del coche no es, estrictamente hablando la velocidad, sino la celeridad: si yo programo mi coche para que circule constantemente a 120 km/h estoy haciendo constante el módulo (la dimensión, el tamaño) del vector velocidad. Un vector es una expresión matemática que te indica la dirección, sentido e intensidad (dejemos lo del punto de aplicación aparte) de una magnitud física. Es la intensidad del vector velocidad lo que se llama celeridad. Y aunque mi celeridad sea constante el vector no lo es, puesto que cambia la dirección cuando doy curvas o subo o bajo desniveles. Pues bien, la velocidad de un electrón en una órbita de Rutherford cambiaría constantemente, puesto que cambia su dirección, y esto implica que se acelera.

El electrón, por tanto, perdería energía emitiendo radiación y siendo empujado continuamente hacia el núcleo. En muy poco tiempo, el electrón terminaría precipitándose en el núcleo. Según la mecánica, el electromagnetismo y todo el resto de la física clásica un átomo planetario no sería estable más allá de una fracción (pequeña) de segundo.

Sin embargo la idea de un sistema planetario es muy intuitiva y por lo tanto muy atractiva (cien años después, como decíamos antes, se sigue representando el átomo así en el imaginario popular). Los físicos continuaron buscando una teoría que incluyese una estructura planetaria estable y que pudiese explicar los datos experimentales (especialmente las líneas espectrales). No era una solución fácil de encontrar. De hecho la solución a este problema requería una nueva física y el tipo de valentía que da el genio, la juventud y, quizás, la falta de prestigio que proteger.

El modelo que propuso un jovenzuelo danés con la tinta de su tesis aún húmeda, pasó a llamarse modelo de Bohr, o modelo de Rutherford-Bohr (más que nada porque había electrones en órbitas) o modelo cuántico del átomo. Fue un éxito clamoroso y una revolución copernicana (en las modificaciones que sufriría posteriormente Arnold Sommerfeld asumiría el papel de Kepler). La propuesta de Bohr mostraba además no sólo el “qué” sino también el “cómo” se podía aplicar la teoría cuántica para resolver los problemas atómicos; no sólo era un pez, Bohr enseñaba a pescar.

¿Y qué fue lo que hizo Bohr? Algo muy sencillo, aparentemente. Introdujo dos postulados, afirmaciones para las que no tenía pruebas y que contradecían la física conocida, pero cuyos resultados prácticos demostraban que, de momento, funcionaban.

1. Existen estados de un sistema atómico en los que no existe radiación electromagnética a pesar de que haya aceleración de las partículas cargadas. Es decir, las leyes de Maxwell puede que no se cumplan tal cual a nivel atómico. Estos estados se llaman estados estacionarios del átomo. Este postulado justificaba la estabilidad de un átomo planetario con órbitas circulares.

2. Cualquier emisión o absorción de radiación, ya sea de luz visible o cualquier otra, corresponde a un repentino (palabra importante) paso de un estado estacionario a otro. Lo que justificaba las líneas espectrales distintas de los distintos átomos que tendrían estados estacionarios distintos.

La teoría cuántica había comenzado en 1900 con la idea de Planck de que los átomos emiten luz sólo en cantidades definidas de energía. Este concepto fue ampliado por Einstein en 1905 al afirmar que la luz viaja en paquetes definidos, cuantos, de energía. Ahora, en 1912, Bohr extendía aún más la teoría para incorporar la propia materia: los átomos sólo existen de forma estable en estados definidos, cuantizados, de energía.

Pero Bohr no se quedó ahí, también usó el concepto de cuanto para decidir cuales de todos los estados estacionarios concebibles son realmente posibles, introduciendo los números cuánticos, pero esta es ya otra historia…

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