CRONOLOGÍA PARA ESTUDIANTES AVANZADOS

A partir de entonces, la comunidad científica ya no podía mirar hacia otro lado.

Los cuantos dejaban de ser una rareza del comportamiento de la luz para convertirse en la clave profunda de los átomos y, con ellos, de todo aquello que compone el universo, nosotros incluidos.

Iniciaremos esta nueva cronología con un viaje a través del tiempo que nos llevará a la esencia de la materia:

el átomo.

El largo viaje hasta el corazón del átomo

Mucho ha llovido desde que Demócrito, Leucipo y Epicuro introdujeron el concepto de átomo en los siglos V y IV a.C., entonces entendido como una idea filosófica.

El término átomo en griego significa «aquello que no puede ser dividido». Para los pensadores de la Antigüedad, ese concepto primigenio era el ladrillo último de todo cuanto existe.

Veamos cómo ha evolucionado la idea del átomo a lo largo del tiempo.

1800 - 1890 — De Dalton a Mendeléyev: la química hace renacer el átomo.

Durante más de dos mil años, el átomo fue solo una idea filosófica, algo que no podía medirse, pesarse ni observarse.

Todo eso cambió entre los siglos XVIII y XIX , cuando la química moderna empezó a poner orden en el mundo material.

En 1803, John Dalton retomó la antigua intuición de Demócrito y la transformó en una hipótesis cuantitativa: cada elemento químico está formado por átomos idénticos e indivisibles .

El átomo deja de ser una intuición filosófica y se convierte en una unidad mínima con propiedades mesurables.

En 1869, Dimitri Mendeléyev dio un salto gigantesco: organizó los elementos conocidos en una tabla periódica y, así, reveló un patrón que nadie había identificado antes.

La repetición rítmica de sus propiedades mostraba que los átomos no solo existían, sino que obedecían a una estructura profunda.

Mendeléyev incluso dejó huecos vacíos para elementos que aún no se habían descubierto, y la ciencia posterior acabaría dándole la razón.

1897 — J. J. Thomson y el descubrimiento del electrón: el átomo deja de ser indivisible.

A finales del siglo XIX , mientras estudiaba los tubos de rayos catódicos, J. J. Thomson detectó la existencia de unas partículas diminutas cargadas negativamente que se desviaban bajo campos eléctricos y magnéticos.

Acababa de descubrir el electrón, la primera partícula subatómica identificada experimentalmente.

Para acomodar su hallazgo, propuso un nuevo modelo atómico: el « pastel de pasas ». En él, los electrones estaban incrustados en una esfera de carga positiva como pequeñas pasas insertadas en la masa del pastel.

Este modelo permitía entender cómo un átomo podía ser eléctricamente neutro y, aun así, contener electrones, partículas con carga negativa.

Con Thomson, el átomo dejaba de ser el último e indivisible bloque de la materia.

1909 - 1911 — Rutherford y el experimento de la lámina de oro: el descubrimiento del núcleo atómico.

Entre 1909 y 1911, Ernest Rutherford, junto con sus jóvenes colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden, bombardeó una finísima hoja de oro con partículas alfa —núcleos de helio muy energéticos— con la expectativa de que la atravesaran sin apenas desviarse, como predecía el modelo del pastel de pasas de Thomson.

Sin embargo, ocurrió algo inesperado: una pequeña fracción de las partículas rebotaba hacia atrás, como si hubiese chocado contra algo extremadamente denso.

Rutherford concluyó que casi toda la masa y la carga positiva del átomo debía de concentrarse en un núcleo minúsculo, mientras que los electrones ocupaban un espacio vacío mucho mayor a su alrededor.

Había nacido el modelo planetario del átomo: un diminuto núcleo central alrededor del cual los electrones orbitaban como planetas en un sistema solar .

Este descubrimiento transformó por completo nuestra visión del átomo y marcó el inicio de la física nuclear. Sin embargo, su modelo, bajo el prisma de la física clásica, tenía un fallo ineludible: ¡la materia no debería existir!

1913 — Niels Bohr y la cuantización de las órbitas electrónicas: el nacimiento del átomo cuántico.

En 1913, el joven físico danés Niels Bohr dio un paso decisivo para resolver los problemas del modelo planetario de Rutherford.

Según la física clásica, un electrón que gira alrededor del núcleo debería emitir radiación continuamente, perder energía y caer en espiral, pero en la realidad eso no ocurre.

Los átomos son estables y, como consecuencia, puede existir el universo de materia que nos rodea.

Bohr tuvo entonces una idea audaz, inspirada en la recién nacida teoría cuántica de Planck y Einstein: los electrones no pueden ocupar cualquier lugar del átomo .

Solo pueden existir en unas órbitas «permitidas», en las que el electrón no perdería energía.

Quedaba así resuelto el problema de Rutherford.

En su modelo, los electrones pueden desaparecer de una óbita y aparecer en otra absorbiendo o emitiendo un fotón. A ese peculiar comportamiento le dio el nombre de saltos cuánticos .

La frecuencia de ese fotón o cuanto de luz seguía la relación de Einstein y Planck:

E=h.f

Gracias a esta cuantización, Bohr consiguió explicar por primera vez las líneas espectrales del hidrógeno . Encontraréis una explicación sobre ellas en la «Cronología avanzada» de La semilla de una revolución .

Aun así, su modelo todavía dejaba abiertas algunas preguntas…

1916 — Arnold Sommerfeld: el círculo se vuelve elipse.

En 1916, el físico alemán Arnold Sommerfeld amplió el modelo de Bohr para adaptarlo mejor a los datos experimentales.

Propuso que los electrones no solo podían moverse en órbitas circulares alrededor del núcleo, sino también en órbitas elípticas , como los planetas alrededor del Sol.

Este refinamiento permitió explicar con mayor precisión las líneas espectrales observadas, especialmente en presencia de campos eléctricos o magnéticos.

Aunque el modelo de BohrSommerfeld seguía siendo semiclásico, representó el último gran paso antes de la formulación completa de la mecánica cuántica en 1925-1926.

1923 — Louis de Broglie y la onda asociada a la materia: la materia revela su naturaleza ondulatoria.

En 1923, el joven aristócrata y físico francés Louis de Broglie formuló una idea tan audaz como revolucionaria: si la luz, que siempre se había considerado una onda, podía comportarse como una partícula, ¿no sería posible que ocurriese también lo contrario?

¿Y si las partículas, como los electrones, también fuesen capaces de comportarse como ondas?

Su idea abrió un nuevo camino: la materia, hasta entonces concebida como algo sólido y puntual, se transformaba en un fenómeno ondulatorio .

La tesis defendida por De Broglie era atrevida, pero también falsable. ¿Podría diseñarse un experimento que revelara comportamientos ondulatorios en partículas materiales? ¿Sería posible ver a los electrones interferir y difractarse, igual que hace la luz?

1927 — George P. Thomson y Davisson-Germer. La confirmación experimental: los electrones son ondas.

El electrón era conocido como una partícula desde que J. J. Thomson lo descubrió en 1897. Su hijo, George P. Thomson, heredó el interés por desentrañar su verdadera naturaleza y decidió investigar si ese electrón, aparentemente corpuscular, podía mostrar algún indicio de comportamiento ondulatorio.

Lo consiguió.

En Cambridge, G. P. Thomson hizo pasar un haz de electrones a través de láminas de metal muy finas y observó un patrón de interferencias idéntico al que producen las ondas de luz.

De manera independiente, en los laboratorios Bell, Clinton Davisson y Lester Germer bombardearon un cristal de níquel con electrones y obtuvieron un patrón de difracción cristalina idéntico al observado con rayos X.

Así fue como, en un curioso giro del destino, la naturaleza dual de la materia quedó revelada por la familia Thomson.

George fue recompensado con el Premio Nobel de Física en 1937 por demostrar que el electrón es una onda .

Su padre, sir J. J. Thomson, había recibido el mismo galardón en 1906 por demostrar que el electrón es una partícula .

Dos generaciones, dos Nobel, dos caras de una misma realidad: el electrón es onda y partícula a la vez.

1926 — El modelo atómico de Schrödinger: el átomo como una sinfonía de ondas.

En 1926, Erwin Schrödinger formuló una ecuación que describía al electrón no como una partícula que orbita el núcleo, sino como una onda extendida en el espacio .

Esta onda está representada por la función ψ, cuya forma permite calcular los orbitales, que son las regiones donde es más probable encontrar al electrón.

Poco después, Max Born interpretó la función de onda como una probabilidad, introduciendo definitivamente el azar en la descripción del átomo.

El modelo de Schrödinger sustituyó las órbitas rígidas de Bohr por nubes de probabilidad , y se convirtió en la base del modelo cuántico moderno del átomo.

De la antigua teoría cuántica al nacimiento de la mecánica cuántica: la vieja teoría cuántica

Tras el tímido nacimiento de la física cuántica con Max Planck —quien expuso que la radiación no es continua, sino discreta—, en 1905 Einstein abre la caja de Pandora al utilizar los cuanta para explicar el efecto fotoeléctrico.

Su propuesta introducía una idea profundamente perturbadora para la física clásica: la luz podía comportarse no solo como una onda, sino también como un corpúsculo.

Permitidme que empiece a utilizar el término «corpúsculo», además del de «partícula», para referirme a lo que visualizaríamos como una canica minúscula.

Durante los años siguientes se fueron acumulando las pruebas a favor de estos cuantos de luz, que pronto recibirían el nombre de « fotones ».

El trabajo de Robert Millikan confirmó experimentalmente las predicciones de Einstein, quien recibiría el Premio Nobel de Física en 1921.

Poco después, los experimentos de Arthur Compton y Peter Debye mostraron que estos fotones podían «rebotar» con los electrones como pequeñas partículas, reforzando aún más su naturaleza corpuscular.