Cuantica sin formulas

Cuántica sin fórmulas – El átomo de Bohr

Iniciamos esta serie de Cuántica sin fórmulas con el Preludio, tras el cual discutimos dos de los principales “flecos” en los que fallaban las teorías clásicas a finales del siglo XIX: la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico. Como recordarás, la solución del primero dio lugar a la hipótesis de Planck y su famosa constante; la solución delsegundo produjo el nacimiento del fotón y la consideración de las ondas como conjuntos de partículas. (Por cierto, si no has leído los artículos anteriores es muy difícil que entiendas éste, pues se basa en los conceptos establecidos allí).
Antes de seguir zambulléndonos a mayor profundidad dentro de la mecánica cuántica, quiero dedicar este artículo a explicar precisamente cómo y cuándo recibiósu nombre esta parte de la física, y cómo resolvió el tercero de los “flecos” que los físicos clásicos no habían logrado resolver hasta entonces. Lo interesante en este caso es que no se plantea una idea nueva como en los dos anteriores, sino que –por primera vez– se ponen en práctica las primeras ideas cuánticas de Planck y Einstein para resolver un problema concreto. Vamos a hablar del átomo deBohr.
El “pequeño detalle” resuelto por Niels Bohr, en el que la física clásica fallaba, era básicamente éste: la materia, tal y como la conocemos, no debería existir. Menudo “pequeño fleco”, ¿eh?
La razón es la siguiente: poco a poco, los científicos habían ido obteniendo datos sobre la estructura de los átomos. Sabían que tenían cargas positivas y negativas (aunque aún no conocían losneutrones), y que las cargas positivas (los protones) constituían la mayor parte de la masa de los átomos y estaban en el centro (el núcleo), ocupando un espacio muy pequeño. Las cargas negativas (los electrones) estaban en el exterior, en una zona mucho más grande y menos densa.
De modo que los físicos explicaron esta estructura de acuerdo con las teorías de la mecánica que hoy llamamos “clásica” y lateoría electromagnética de Maxwell. Todo encajaba casi a la perfección, y el modelo más exacto y avanzado era el de Ernest Rutherford (que seguro que has estudiado en el colegio): los protones están en el núcleo, quietos, y los electrones giran alrededor del núcleo a gran velocidad. El símbolo típico del átomo sigue siendo el de Rutherford, aunque su modelo sólo duró dos años. Así son a veces lascosas.

Logo de la Comisión de Energía Atómica estadounidense, que aún utiliza el símbolo del átomo de Rutherford.
Claro, como los electrones tienen carga negativa y los protones positiva, se atraen, pero la velocidad de giro de los electrones hace que éstos no caigan hacia el núcleo, igual que la velocidad de la Tierra en su movimiento alrededor del Sol hace que nuestro planeta realice órbitasalrededor de la estrella y no se acerque a ella. Naturalmente, los electrones están muy cerca del núcleo, de modo que tienen que moverse muy, muy rápido para no caer hacia el centro, pero ambos casos son parecidos (de hecho, a veces se llama al modelo de Rutherford “modelo planetario”). Todo el mundo estaba muy satisfecho, salvo por una cosa.
De acuerdo con la teoría electromagnética de Maxwell,cualquier carga acelerada (que vaya cada vez más rápido, más lento o que cambie su dirección de movimiento) emite una onda electromagnética, tanto más energética cuanto mayor sea la carga y más rápida sea la variación de velocidad. Y aquí estaba el problema: los electrones, al girar alrededor del núcleo y por lo tanto cambiar su dirección de movimiento constantemente, deberían estar emitiendoradiación electromagnética todo el tiempo. Pero claro, al emitir radiación electromagnética deberían perder energía, moverse más despacio, “caer” un poco hacia el núcleo, emitir más radiación, perder más energía…
Es decir, si el modelo de Rutherford (y no había ningún otro que pudiera explicar la naturaleza de los átomos) era cierto, el átomo como lo conocemos existiría durante una minúscula...