CRONOLOGÍA PARA ESTUDIANTES AVANZADOS #3

1803/1806—John Dalton propone el modelo atómico.

Tienen que pasar más de dos mil años hasta que Dalton, en pleno siglo XIX lance la hipótesis atómica, pero ahora desde un punto de vista científico, no filosófico.

En su hipótesis, cada elemento estaba formado por átomos iguales y, como su nombre indica, indivisibles.

El modelo de Dalton no puede explicar las regularidades periódicas que aparecen en la tabla periódica de Mendeléyev. Pero un impacto mayor iba a fragmentar el átomo.

1897 — J. J. Thomson descubre el electrón.

Cuando Thomson, en Cambridge, descubre la presencia de los electrones en los átomos, la idea del átomo indivisible queda desmontada.

En sus experimentos, Thomson determina que los electrones son iguales, independientemente del material que utiliza.

Así pues, aunque los átomos sean distintos, los electrones han de ser los mismos en todos los átomos.

Por otro lado, también llega a la conclusión de que los electrones tienen carga negativa.

Puesto que era sabido que el átomo es neutro, debía existir un núcleo cargado positivamente.

Teniendo en cuenta estas dos premisas, Thomson propone su modelo de pastel de pasas. Los electrones serían partículas negativas en una esfera cargada positivamente, del mismo modo que las pasas se distribuyen dentro de un pastel.

1911 — Ernest Rutherford y su modelo atómico planetario.

La pregunta natural que surge tras el descubrimiento de Thomson era cómo estarían distribuidos los electrones dentro de ese pastel.

Para dar con la respuesta, en 1909, Rutherford, junto con Geiger y Marsden, llevan a cabo uno de los experimentos más importantes para el desarrollo de los modelos atómicos.

Lanzan partículas alfa (que hoy conocemos como núcleos de helio, dos protones y dos neutrones) contra una fina lámina de oro.

Con un detector, pretenden encontrar dónde van a parar estas partículas tras atravesar la lámina, pudiendo así determinar dónde están colocadas esas partículas negativas llamadas electrones.

El resultado no es el esperado. Ellos pensaban que la mayoría de las partículas alfa atravesarían la lámina y sufrirían pocas desviaciones, siguiendo el modelo del pastel de pasas.

Sin embargo, encontraron que muchas de ellas pasaban casi sin desviar su trayectoria, pero otras rebotaban.

Era como disparar balas a un fino papel higiénico y que algunas de ellas reboten.

Rutherford presenta entonces su modelo atómico planetario.

El átomo está formado por un núcleo muy pequeño donde se concentra casi toda su masa, por eso se desvían solo unas pocas balas.

El resto será espacio vacío, por eso tantas balas pasaban sin desviarse, y las que lo hacían un poco era porque se encontraban a los electrones orbitando alrededor del núcleo.

De hecho, esta imagen de un átomo formado por un núcleo pequeño y con los electrones orbitando a su alrededor es la que todavía sobrevive hoy en el imaginario colectivo. Pero hay que tener en cuenta que todavía no se sabe nada de los constituyentes del núcleo: protones y neutrones.

Los dos problemas fundamentales del modelo atómico de Rutherford

Rutherford era plenamente consciente de que su modelo atómico era imposible con las leyes del electromagnetismo clásico.

Si los electrones, cargados negativamente, dan vueltas alrededor del núcleo, de acuerdo con la electrodinámica clásica, deberían emitir radiación, luz.

Eso implica perder energía y caer en espiral hasta colapsar en el núcleo en cuestión de milésimas de segundo.

Los átomos no deberían existir.

Así pues, o bien la teoría clásica electromagnética falla, o el modelo planetario está mal.

El segundo problema existía ya en el modelo del pastel de pasas de Thomson. En cuanto se descubre que los átomos tienen electrones, uno debe asumir que esas cargas eléctricas negativas al moverse emiten radiación, es decir, luz.

Si nos centramos en el modelo planetario de Rutherford, el electrón pierde energía en forma de luz hasta colapsar en el núcleo.

Esa luz, a medida que el electrón va perdiendo energía, cambiará de frecuencia y, por lo tanto, de color.

Sin embargo, esa pérdida de energía, según la física clásica, es continua.

Así que deberíamos obtener luz que va pasando por todos los colores del arco iris.

A eso se le llama «espectro continuo». Sin embargo, al estudiar la luz emitida por los átomos (o los gases para ser más precisos) nunca se había observado un espectro continuo, sino uno discontinuo.

Para comprender bien este segundo problema, primero debemos volver atrás en el tiempo y meternos de lleno en el misterio de la luz y su espectro.

1814 — Joseph von Fraunhofer inventa el espectroscopio.

Después de que Newton descubriese el espectro de la luz visible y Herschel encontrase el infrarrojo por casualidad, apareció otro personaje esencial en nuestra historia: Fraunhofer.

Simplificando mucho, el aparato que inventa Fraunhofer sirve para observar el espectro de la luz a través de un pequeño telescopio.

Al poder ver con mucha más precisión el espectro de la luz del Sol, Fraunhofer descubre que los colores del arco iris no dejan un dibujo continuo, sino que observa unas líneas oscuras en medio de los colores.

No conseguirá dar explicación a este fenómeno, pero hasta día de hoy esas líneas espectrales se conocen como líneas de Fraunhofer.

1850/1860 Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen descubren las huellas dactilares de los elementos químicos.

Kirchhoff y Bunsen se dedican a estudiar, con el espectrómetro de Fraunhofer, los espectros de distintos gases.

Se dan cuenta de que cada gas (nosotros podemos pensarlo como cada átomo) está caracterizado por un conjunto de líneas, como los códigos de barras caracterizan los productos de los comercios.

Observar las líneas espectrales en la luz emitida por una estrella puede utilizarse para saber qué gases hay en ella. Esas líneas se transforman en las «huellas dactilares» de los elementos.

Kirchhoff y Bunsen utilizarán esa información para determinar los elementos químicos que componen el Sol.

Identifican cada línea del espectro de Fraunhofer con las líneas que conocen de cada gas.

De hecho, el helio se descubre primero en el Sol antes que en la Tierra, por eso este elemento químico tiene el nombre del dios del Sol.

Este descubrimiento marca el nacimiento de la astrofísica y su técnica sigue siendo, hoy en día, la manera en que sabemos los elementos que forman las estrellas lejanas.

Espectros de emisión y absorción.

Cuando Kirchhoff y Bunsen estudian las franjas de los distintos gases observan una clara diferencia si el gas se calienta o se enfría. Si el gas se calienta, obtienen unas pocas líneas brillantes de colores. Si el gas se enfría, obtienen el espectro de la luz, pero con algunas franjas negras.

Enseguida relacionan que las franjas negras se forman justo en el lugar en el que habían aparecido las líneas de colores en el experimento anterior, calentando el gas.

Era como obtener el negativo de una fotografía.

Así determinaron que un material absorbe radiación y la emite con los mismos colores, es decir con las mismas frecuencias.

Si absorbo radiación de color rojo, emitiré en color rojo.

Volvamos al segundo problema que se plantea en el modelo planetario de Rutherford.

Al observar la luz que emite un átomo, veremos una pocas líneas brillantes de colores: el espectro de emisión.

¿Cómo podía ser que el electrón, que decae en espiral y pierde energía de manera continua, emita solo esas líneas concretas de luz?

Según las leyes de la electrodinámica, debía emitir un espectro continuo, el dibujo perfecto de un arco iris, no unas pocas franjas.

Los enigmas del átomo se habían convertido en un tema candente para la física. Pero antes de traer al escenario a Niels Bohr, haremos otro salto en el tiempo que nos llevará de nuevo a visitar a Albert Einstein.

1911 — Bruselas y la primera Conferencia de Solvay.

En 1907, el joven Einstein, que ya ha conseguido una plaza de profesor ayudante en la Universidad de Zúrich, amplía la teoría cuántica, ya no solo para la radiación, sino también para la materia.

A ese trabajo lo llamará la teoría de los calores específicos .

Sin entrar en más conceptos, simplemente debemos saber que calentar el aire de una habitación es un trece por ciento más barato en la física cuántica que en la física clásica.

El artículo del joven y desconocido Einstein llama la atención de un físico de prestigio en la época: Walther Nernst. Nernst conversa con Einstein sobre la teoría cuántica y queda fascinado.

Convencido de que están frente a una revolución en la ciencia, convence a Ernest Solvay, un multimillonario belga, para sufragar una conferencia en Bruselas que reúna a una veintena de físicos y químicos con el objetivo de hablar de la física cuántica.

La reunión de esas mentes privilegiadas tuvo lugar en el Hotel Metropol de Bruselas, la última semana de octubre de 1911.

Entre los científicos presentes se encuentran Einstein, Planck, Madame Curie, Wien, Poincaré, Lorentz, Langevin y alguien de quien ya hemos hablado: Rutherford.

Junio de 1912 — Niels Bohr y la estructura del átomo.

El joven Bohr, en una visita a Mánchester, conoce a Rutherford, que acaba de llegar de la Conferencia de Solvay. Rutherford está impactado por lo que ha aprendido sobre la física cuántica y anima a Bohr a estudiar los trabajos de Planck y Einstein.

Bohr, trabajando con el modelo de Rutherford, se encuentra en un callejón sin salida.

De una manera similar a lo que hizo Einstein en 1905, Niels reproduce la misma hipótesis pero sobre la rotación del electrón alrededor del núcleo.

Supone que hay unas órbitas privilegiadas alrededor del núcleo en el que el electrón puede moverse sin emitir energía.

A estas órbitas las llamaría «órbitas estables».

En ellas, el electrón podrá saltar emitiendo luz y radiación.

Y en esos saltos absorberá o emitirá un cuanto de energía (al que nosotros podemos llamar fotón).

Esa energía cumple la misma relación que la de Einstein y Planck: E=hf.

A partir de sus suposiciones y de la ecuación de Plank, consigue obtener las líneas espectrales del átomo de hidrógeno (el más sencillo de todos los espectros de emisión).

Los fotones que se emiten en los saltos cuánticos serán del color que se observan al estudiar el espectro de emisión: las misteriosas líneas espectrales.

Y así es como consigue explicar el enigma de los colores de los espectros atómicos.

Su resultado teórico concuerda con los datos observados.

1913 — Niels Bohr publica su modelo atómico en la revista Philosophical Magazine .

Con su artículo, Bohr relaciona la cuantización tanto con la materia como con la luz.

La física cuántica está ahora en boca de todos.

La semilla de la revolución cuántica ha germinado.