La teoría atómica de Niels Bohr: El modelo que cambió la física

En 1913, un físico danés de 27 años publicó tres artículos enRevista FilosofíaBajo el título "Sobre la constitución de átomos y moléculas." Los artículos no inventaron la teoría atómica. Ellos la salvaron. Ernest Rutherford había demostrado dos años antes que el átomo tiene un núcleo pequeño, masivo, positivamente cargado con electrones fuera de él. El problema era obvio: una partícula cargada que se mueve en un círculo debe irradiar energía electromagnética, perder velocidad y caer en el núcleo. Por la física del tiempo, un átomo de hidrógeno debería colapsar en aproximadamente una centésima de un nanosegundo.

El hidrógeno no se desintegra. Bohr se detuvo preguntando por qué un electrón puede orbitar y comenzó preguntando qué sucede cuando un electrón cambia de órbitas. Esa pregunta vino con los datos. Calentando el hidrógeno en un tubo de descarga, pasa la luz a través de un prisma, y no se obtiene un esmalte de color. Obtén líneas agudas y separadas: rojo, azul-verde, azul, violeta. Johann Balmer había encontrado una fórmula numérica simple para esas longitudes de onda en 1885, y Bohr reconoció que el espectro del hidrógeno era la huella de los niveles de energía dentro del átomo.

Ésta es la parte que se pierde.Bohr no atacó un problema en blanco.Tenía la paradoja de estabilidad de Rutherford, la idea cuántica de Max Planck, el concepto de fotón de Albert Einstein, y números precisos de espectroscopistas.Lo que añadió era una regla sobre saltar.

Las tres reglas que mantenían unido el átomo de hidrógeno

Lo suficientemente corto como para escribir en una tarjeta de índice, cada regla equivale a un acto de violencia contra la electrodinámica clásica.

• Los electrones orbitan el núcleo sólo en ciertos estados estacionarios.En uno de estos estados, el electrón no radia, aunque la electrodinámica clásica dice que debe.
• Los estados permitidos obedecen a una condición: el momento angular del electrón viene en múltiplos enteros de la constante de Planck dividida por 2π, una cantidad ahora escrita como ħ y pronunciada como h-bar.
• Un electrón se mueve entre dos estados estacionarios en un salto discontinuo.Cuando cae de un nivel superior a un nivel inferior, emite exactamente un fotón, y la energía del fotón equivale a la diferencia entre los dos niveles.

Es la pieza de la teoría de Bohr que sobrevivió. orbitales murió más tarde. El salto discontinuo es el punto entero: un electrón no desliza de un estado a otro; desaparece de uno y reaparece en otro, y la energía que falta aparece como luz.

La aritmética es la mejor parte, porque Bohr lo hizo con herramientas del siglo XIX. Para un átomo de hidrógeno con un protón, establezca la fuerza centrípeta clásica igual a la atracción de Coulomb, luego imponga la condición de impulso angular L = nħ. Lo que cae es un conjunto de radios permitidos que crecen como n2 y permiten energías que se contraen como 1/n2. La energía más baja, en n = 1, es -13.6 electrones voltios. Eso es la energía de ionización medida de hidrógeno: se toma 13.6 eV para quitar el electrón. La órbita más interna tiene un radio de 0.0529 nanómetros, la física de números todavía llama el radio de Bohr.

Entonces Bohr aplicó la regla del salto. Un electrón que cae de n = 3 a n = 2 emite un fotón cuya energía es la diferencia entre esos niveles. Bohr calculó la longitud de onda y la ajustó a la línea roja en el espectro de hidrógeno visible. La fórmula de Balmer, que había estado sin explicar desde 1885, se convirtió en una consecuencia de la estructura atómica. La derivación de Bohr también produjo la constante de Rydberg - el factor de escala en la fórmula de Balmer - de la carga del electrón, la masa del electrón, la constante de Planck, y la velocidad de la luz. El valor calculado coincidió con la constante medida lo suficientemente cerca que la teoría no podía ser descartada como coincidencia.

La misma regla predijo nuevas regiones del espectro.Líneas visibles de Balmer provienen de electrones que caen a n = 2.Los electrones que caen a n = 1 deben emitir luz ultravioleta - la serie Lyman, que los espectroscópicos ya habían comenzado a detectar en 1906 y que el modelo de Bohr ahora explicó.Los electrones que caen a n = 3 deben emitir luz infrarroja, la serie Paschen.

Las victorias vinieron con un recibo. El modelo trabajó para el hidrógeno, con su único electrón. Fracasó para el helio, con dos electrones, porque Bohr no tenía manera de manejar la repulsión entre ellos. No podía explicar la unión química, el brillo relativo de las líneas espectrales, o por qué un electrón salta en un instante y no otro. Cuanto más pesado es el átomo, peor se hicieron las predicciones. Un paso técnico conciso que no se aleja de las rupturas esEl artículo de Britannica sobre el modelo de Bohr. el

En 1915 y 1916 reemplazó los círculos de Bohr con ellipses, añadió números cuánticos separados para la forma y orientación de la órbita, y se plegó en la relatividad especial de Einstein. El modelo extendido explicó la estructura fina del hidrógeno - los dobles estrechos que revela la espectroscopia de alta resolución. Era una máquina mejor, pero todavía era una máquina de órbitas, y los experimentos estaban a punto de demostrar que las órbitas eran la metáfora equivocada.

Estocolmo ya había notado. En 1922 Bohr recibió elPremio Nobel de Física"por sus servicios en la investigación de la estructura de los átomos y de la radiación que emana de ellos." fundó el Instituto de Física Teórica en Copenhague el año anterior, y se convirtió en un imán para los físicos que acabarían el trabajo: Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, y una rotación de físicos jóvenes de toda Europa.Instituto Niels Bohr, y elArchivo de Niels Bohren Copenhague conserva los manuscritos de Bohr y la correspondencia, incluyendo los diseños de los documentos de 1913.

El final del modelo de órbita llegó rápidamente, entre 1925 y 1927. Heisenberg construyó la mecánica de la matriz en 1925, abandonando completamente las trayectorias. Erwin Schrödinger siguió en 1926 con la mecánica de ondas y la ecuación que lleva su nombre, en la que el electrón es una onda de propagación en lugar de una partícula en un camino. Los niveles de energía Bohr había introducido sobrevivido intacto - la ecuación de Schrödinger los reproduce exactamente para el hidrógeno - pero la órbita fue reemplazada por un orbital, una región de probabilidad donde el electrón es probable que se encuentre.

Lo que no murió: los estados estacionarios, las energías discretas y el salto en sí mismo —la única pieza que la teoría posterior no pudo eliminar.Todo libro de texto de química que dibuja las carcasas de electrones está dibujando el escudo de Bohr, generalmente sin decirlo.

Bohr pasó el resto de su carrera trabajando a través del aftershock filosófico. En 1927, en una conferencia en Como, introdujo la complementariedad: la materia y la luz pueden comportarse como ondas o como partículas, pero no ambas en el mismo arreglo experimental. Las dos descripciones son mutuamente exclusivas, y juntos cubren lo que la medición puede mostrar. La complementariedad se convirtió en la columna vertebral de lo que se llama la interpretación de Copenhague, la familia de opiniones desarrollada en el instituto de Bohr.Enciclopedia de Filosofía de Stanford sobre la interpretación de CopenhagueEs explícito que nunca fue una sola doctrina formal; era una filosofía de trabajo discutida en seminarios, cartas y largas caminatas.

El argumento más famoso en la historia de la física vino de esta posición. Einstein aceptó que la mecánica cuántica hizo predicciones precisas; se negó a aceptar que la teoría era completa. En las conferencias de Solvay de 1927 y 1930, Einstein propuso experimentos de pensamiento diseñados para derrotar el principio de la incertidumbre. Bohr encontró el defecto cada vez, y en 1930 utilizó la relatividad general propia de Einstein para refutar un argumento de caja de fotones. La queja de Einstein, escrita a Max Born en 1926, de que no podía creer que Dios juega en cuerdas, es la línea que la gente recuerda. La respuesta de Bohr, en público y en persona, era que la mecánica cuántica no era incompleta; era un tipo diferente de teoría de lo que Einstein quería ser.

Einstein agudizó el desafío con Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935.El artículo EPR argumentó que la mecánica cuántica obligó a dos partículas lejanas a influir entre sí instantáneamente, lo que Einstein llamó "acción espantosa a una distancia".Revisión Física, insistiendo en que la mecánica cuántica era consistente - extraña, pero completa para lo que la física puede decir.El argumento nunca terminó realmente.Una larga serie de experimentos de prueba de Bell desde los años 1970 ha favorecido la imagen cuántica sobre el realismo local de Einstein.

Bohr todavía tenía física en él. En 1939, con John Wheeler, publicó el modelo de caída de líquido de la fisión nuclear, explicando cómo un núcleo de uranio pesado podía vibrar, dividirse y liberar energía - sólo meses después de que se descubriera la fisión. Cuando Alemania ocupó Dinamarca en 1940, Bohr permaneció hasta 1943, luego escapó a Suecia, llegó a Gran Bretaña, y se unió al Proyecto Manhattan bajo el alias Nicholas Baker. Entendió la política de la bomba tan claramente como su física, y pasó sus últimos años argumentando por la apertura y el control internacional de la energía atómica, incluyendo una larga carta abierta a las Naciones Unidas en 1950.

Bohr murió en Copenhague el 18 de noviembre de 1962. El elemento 107, bohrium, lleva su nombre. Su monumento más profundo es el que los estudiantes de pintura encuentran primero: el átomo como un conjunto de niveles de energía discretos y salpicables. Los físicos no creen que los electrones viajen en pequeños rayos alrededor del núcleo. Ellos creen - porque Bohr les mostró - que el mundo atómico se mueve en pasos.

Esta semana, haga una cosa: sentarse con el espectro de emisión de hidrógeno y las tres reglas de Bohr lado a lado, y descubrir por qué el salto n = 3 a n = 2 produce luz roja.

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