Quimica Y Mecanica Cuantica

QUÍMICA Y MECÁNICA CUÁNTICA: EL ÁTOMO DE BOHR

Los inicios del siglo XX iban a ser cruciales para el desarrollo de la Física – y por contigüidad también para la disciplina hermana, la Química. De hecho a finales de los años 20 de ese siglo la “visión del mundo” había sufrido una mutación radical y las viejas nociones de espacio, tiempo y causalidad habían sido barridas.

Todo comenzaría porla extraña hipótesis que Max Planck se vería obligado a introducir para explicar la llamada “radiación del cuerpo negro”. De hecho, para entendernos, se trataba de explicar por qué un hierro moderadamante caliente tiene una tonalidad rojiza que cambia a blanco azulada al aumentar la temperatura.

En el marco clásico –el de Maxwell y Newton– donde la energía de las ondas electromagnéticas, de laluz en suma, aparece ligada a la amplitud, el hierro debería brillar con color azul a todas las temperaturas: azul oscuro a bajas temperaturas y azul claro a temperaturas elevadas; que no lo haga, sólo puede explicarse si, como supuso Planck, la energía está ligada a la frecuencia (¡al color en el caso de la luz!) mediante la enigmática relación E = hν .

Esta relación volvería a hacer suaparición en 1905 cuando Albert Einstein la utilizó para dar una explicación convincente al efecto fotoeléctrico.

Mientras Planck encaraba el problema del cuerpo negro, otro físico alemán, Philipp Lenard, estudiaba los efectos producidos por los rayos catódicos sobre películas metálicas delgadas. En 1899 sustituyó estos rayos por luz monocromática y observó que, para ciertos tipos de luz, el metaleyectaba electrones.

RESULTADOS

• Los electrones emitidos poseen una energía cinética que crece a medida que lo hace la frecuencia de la luz incidente

• Para cada metal existe un valor de la frecuencia de la luz incidente (frecuencia umbral), por debajo de la cual no hay emisión de electrones.

• No hay dilación alguna entre la llegada de los fotones y la emisión de fotoelectrones aunque laintensidad de la luz, de frecuencia superior a la umbral, sea muy débil.

Estos resultados, y más en concreto el que la energía de los electrones emitidos crezca con la frecuencia de la radiación incidente y sea independiente de la intensidad, no podían explicarse haciendo uso de la teoría clásica de la luz. De acuerdo con esta teoría, las ondas electromagnéticas que golpeaban la superficiemetálica debían comportarse como las ondas marinas y transferir –de igual modo que éstas transfieren más energía, a los guijarros de la playa, cuanto mayores son– mayor energía a los electrones cuanto más intenso fuera su brillo.

Einstein, en un artículo publicado en 1905 con el título Un punto de vista heurístico acerca de la creación y transformación de la luz, aventuraba una explicaciónheterodoxa en la que la luz aparecía como un haz de partículas, más tarde denominadas fotones, cada una de las cuales poseía una energía hν que podía ceder a los electrones del metal.

La relación que sintetiza sus resultados se escribe así:

Mv2/2 = hν - Φ0
donde Mv2/2 es la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos, Φ0 la energía mínima necesaria para extraer el electrón de lasuperficie del metal y ν la frecuencia de la radiación monocromática incidente.

De acuerdo con la explicación de Einstein, corroborada por el trabajo experimental de Robert A. Millikan, la luz intercambiaba energía con la materia en cuantos, como si de partículas se tratara. La vieja controversia parecía, como el ave fénix, resurgir de sus cenizas: ¿Cuál era en efecto la verdadera naturaleza de la luz?¿onda o corpúsculo?.

Con estos antecedentes Bohr trataría de conciliar, en su artículo Sobre la constitución de los átomos y las moléculas (1913), los resultados obtenidos por Rutherford sobre la estructura interna de los átomos –átomos con núcleo– con las ideas introducidas por Planck a fin de explicar la radiación del cuerpo negro: Rutherford ha mostrado que la existencia del núcleo...