La estructura del átomo y la mecánica cuántica; Niels Bohr.

El 18 de noviembre de 1962, fallecía el físico danés Niels Henrik David Bohr (Copenhague, 7 de octubre de 1885 – 18 de noviembre de 1962).

bohrNos dejaba un “gigante”, una persona  fundamental para entender la física moderna y una de las mentes más brillantes del siglo XX.

En 1922 fue galardonado con el Premio Nobel de Física “por su investigación acerca de la estructura de los átomos y la radiación que emana de ellos”.

Realizó sus estudios superiores de física en la Universidad de Copenhague. En 1911 se doctoró en la  Universidad de Copenhague.  Se trasladó posteriormente a Inglaterra al Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge, bajo la tutela de sir Joseph John Thomson químico británico distinguido con el Premio Nobel en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través del interior de los gases, que le habían permitido descubrir el electrón, precisamente el tema de la tesis defendida por Bohr en 1911.

Completó sus estudios en Mánchester, teniendo como profesor a Ernest Rutherford, uno de los padres de la teoría atómica moderna y que sería un apoyo fundamental a lo largo de su carrera.

En 1916, Niels Bohr comenzó a ejercer como profesor de física teórica en la Universidad de Copenhague.

En 1920, consiguió los fondos necesarios  para la fundación del denominado Instituto Nórdico de Física Teórica (más tarde denominado Instituto Niels Bohr), cuya dirección asumió desde 1921 hasta la fecha de su muerte en 1962.

Sin embargo en 1943, durante la Segunda Guerra Mundial  Bohr huyó a Suecia  y posteriormente a  Londres. Finalmente se trasladó al los Estados Unidos para colaborar en el Proyecto Manhattan de Los Álamos, Nuevo México (EE. UU.). Volvería a Dinamarca en 1945 tras la finalización de la guerra.

El 6 de marzo de 1913 Niels Bohr escribe a su mentor Ernest Rutherford, su primera descripción de su modelo atómico. Es una de las tres históricas cartas que envía a Rutherford por este motivo.

Basándose en las teorías de Rutherford (átomo de Rutherford) publicó su modelo atómico (Modelo atómico de Bohr) en 1913, introduciendo la teoría de las órbitas cuantificadas, que en la teoría mecánica cuántica consiste en las características que, en torno al núcleo atómico, el número de electrones en cada órbita aumenta desde el interior hacia el exterior.

El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Es un intento para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.

bohr3Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número “n” recibe el nombre de Número Cuántico Principal.

El modelo se fundamenta en los siguientes postulados, publicados en tres artículos en el Philosophical Magazine en 1913:

a) Los electrones describen órbitas circulares alrededor del núcleo. De todas las órbitas imaginables en principio, sólo son posibles algunas de ellas, llamadas estacionarias.

b) Los electrones en movimiento en una órbita estacionaria no emiten energía, contrariamente a lo postulado por el electromagnetismo clásico.

c) Cuando un electrón pasa de una órbita a otra emite, o absorbe, un fotón cuya energía es igual a la diferencia de energías de las órbitas entre las que tiene lugar la transición.

Cada una de las órbitas permitidas por el modelo de Bohr está caracterizada por poseer un valor definido de la energía de los electrones en la misma, la cual puede expresarse por la ley

W n = – K/n 2

en la cual K es una constante que depende del número atómico del átomo considerado, mientras que n puede tomar cualquier valor entero positivo: 1, 2, 3, 4…

bohr2De esta forma, cada órbita constituye un nivel de energía del átomo que queda determinado por medio del número cuántico n. Para n = 1, se tiene el nivel de energía más bajo, llamado estado fundamental, siguiéndole un orden creciente de energías los niveles n = 2, n = 3, etc. El comportamiento de los electrones en las órbitas estables se rige por las leyes de la física clásica, pero no así el paso de los electrones de una órbita a otra.

Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la “K” y terminaban en la “Q”.Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números.

Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen. Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. El desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental de la mecánica cuántica.

La teoría atómica de Bohr se aplicó en principio al estudio del átomo de hidrógeno, aunque posteriormente se pudo generalizar a otros elementos superiores, debido al desarrollo proporcionado por Arnold Sommerfeld que mejoró el modelo del danés para explicar la estructura fina del espectro.

Bohr enunció, además, en 1923, el principio de la correspondencia, al que añadió en 1928 el principio de la complementariedad.

Las condiciones por las cuales la física cuántica y la física clásica concuerdan es lo que se denomina el principio de correspondencia, o el límite clásico.

Las leyes de la mecánica cuántica son altamente exitosas en describir objetos microscópicos tales como átomos y partículas elementales. Por otra parte, se sabe por experimentos que una variedad de sistemas macroscópicos (sólidos rígidos, condensadores eléctricos, etc.) pueden ser descritos con exactitud por teorías clásicas tales como la mecánica clásica y el electromagnetismo. Por el contrario, es razonable creer que las máximas leyes de la Física deben de ser independientes del tamaño del objeto físico descrito. Esta fue la motivación para la creación del principio de correspondencia de Bohr, el cual establece que la física clásica debe de emerger como una aproximación a la física cuántica a medida que los sistemas aumentan de tamaño.

En 1925, Heisenberg enunció el principio de indeterminación o de incertidumbre, según el cual era utópica la idea de poder alcanzar, en el campo de la microfísica, un conocimiento pleno de la realidad de la naturaleza en sí misma o de alguna de las cosas que la componen, ya que los instrumentos empleados en la experimentación son objetos naturales sometidos a las leyes de la física tradicional.

bohr4Con estas ideas Bohr formuló el llamado principio de complementariedad de la mecánica cuántica o la denominada interpretación de Copenhague en 1928.

La interpretación de Copenhague intenta reconciliar el contra intuitivo dualismo material de “onda” y “partícula” de un modo adecuado a la comprensión humana.

La interpretación de Copenhague incorpora el principio de incertidumbre, el cual establece que no se puede conocer simultáneamente con absoluta precisión la posición y el momento de una partícula. La interpretación de Copenhague señala el hecho de que el principio de incertidumbre no opera en el mismo sentido hacia atrás y hacia delante en el tiempo. Muy pocos hechos en física tienen en cuenta la forma en que fluye el tiempo, y este es uno de los problemas fundamentales del Universo donde ciertamente hay una distinción entre el pasado y futuro. Las relaciones de incertidumbre indican que no es posible conocer la posición y el momento simultáneamente y consiguientemente no es posible predecir el futuro ya que en palabras de Heisenberg “no podemos conocer, por principio, el presente en todos sus detalles”. Pero es posible de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica conocer cual era la posición y el momento de una partícula en un momento del pasado. El futuro es esencialmente impredecible e incierto mientras que el pasado completamente definido. Por lo tanto nos movemos de un pasado definido a un futuro incierto.

Después de la guerra, Bohr, se convirtió en un apasionado defensor del desarme nuclear. Pronunció las conferencias Gifford, en los cursos 1948-1950, sobre el tema Causality and Complementarity. En 1952, Bohr ayudó a crear el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, Suiza. En 1955, organizó la primera Conferencia Átomos para la Paz en Ginebra. En 1958, se convirtió en la primera prosa en recibir el premio Átomos para la Paz.

Entre sus obras, destacan  Teoría de los espectros y constitución atómica (1922), Luz y vida (1933), Teoría atómica y descripción de la naturaleza (1934), El mecanismo de la fisión nuclear (1939) y Física atómica y conocimiento humano (1958).

El elemento químico bohrio se denominó así en su honor.

 

 

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Publicado el 18 noviembre, 2015 en Física. Añade a favoritos el enlace permanente. 1 comentario.

  1. Excelente públicacion la usaré en mi clases de quimic a

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