En 1913, el físic danès Niels Bohr va publicar 3 articles en què proposava el primer model quàntic de l'àtom. El model donava una interpretació teòrica al fenomen de l'espectroscòpia i permetia interpretar quantitativament els trets fonamentals de l'espectre de l'àtom d'hidrogen. El model atòmic de Bohr va ser el primer intent de descripció quantitativa de l'estructura de la matèria.

En 1913, el físic danès Niels Bohr va publicar 3 articles en què proposava el primer model quàntic de l'àtom [1,2,3]. El model donava una interpretació teòrica al fenomen de l'espectroscòpia i permetia interpretar quantitativament els trets fonamentals de l'espectre de l'àtom d'hidrogen.

El model atòmic de Bohr va ser el primer intent de descripció quantitativa de l'estructura de la matèria i va ser la base de les primeres descripcions de l'enllaç químic. Va ser també el punt de partida dels desenvolupaments de la mecànica ondulatòria d'Erwin Schrödinger i de la mecànica de matrius de Werner Heisenberg (que després seria el seu deixeble) que serien els models definitius per interpretar l'estructura dels àtoms. Niels Bohr va rebre el premi Nobel de Física en 1922 "pels seus serveis en la investigació de l'estructura dels àtoms i de la radiació que d'ells emana". [4]

A finals del segle XIX, els científics creien que l'edifici de la física estava pràcticament complet. Michelson, el 1899 (només un any abans del descobriment de Planck) havia afirmat:

"Les lleis fonamentals més importants i els fets de la ciència física han estat descoberts tots; estan establerts tan fermament que la possibilitat de ser substituïts -com a conseqüència de nous descobriments- és remota. Els nostres descobriments futurs només buscaran obtenir la sisena xifra decimal".

Però, només un any després, es va iniciar la revolució quàntica. En 1900, Max Planck proposà una interpretació teòrica de la distribució de la densitat d'energia de radiació d’un cos negre [5] que es pot considerar la fita fundacional de la teoria quàntica, i que implicava necessàriament que l'intercanvi d'energia entre el cos negre i la radiació no podia realitzar-se en forma contínua sinó en forma de paquets discontinus que es coneixen des de llavors com "quanta" o quants d'energia.

El 1905, Albert Einstein va presentar una interpretació absolutament revolucionària i heterodoxa de l'efecte fotoelèctric, que incloïa la necessitat d'estendre el concepte dels quants de Planck a la pròpia naturalesa de la radiació. [6]

La hipòtesi d'Einstein es basa en que:

"...les observacions associades amb la radiació del cos negre, fluorescència, producció de raigs catòdics mitjançant llum ultraviolada i altres fenòmens relacionats, tots ells connectats amb l'emissió o transformació de la llum, s'entenen més fàcilment si un suposa que l'energia de la llum està distribuïda espacialment en forma discontínua..."

contradient les idees establertes a partir de les equacions de Maxwell sobre la naturalesa ondulatòria (com ones electromagnètiques) i, per tant, contínua, de la radiació.

Per resoldre la interacció de la radiació amb la matèria, coneguda experimentalment mitjançant el fenomen dels espectres atòmics, Bohr va perfeccionar el model planetari de l'àtom de Rutherford introduint el concepte de quants d'energia de Planck-Einstein. El model de Bohr es basa en tres postulats:

1.Els electrons descriuen òrbites circulars al voltant del nucli de l'àtom sense radiar energia
2.Per als electrons en els àtoms només estan permeses aquelles òrbites el radi compleixi que el moment angular de l'electró sigui un múltiple sencer de h/2π
3.L'electró sol emet o absorbeix energia en els salts d'una òrbita permesa a una altra. En el canvi emet o absorbeix un fotó l'energia és la diferència d'energia entre els dos nivells.

Un dels principals mèrits del model de Bohr és que justifica les relacions matemàtiques entre els diferents grups de línies espectrals, que havien estat trobades empíricament per Balmer i Rydberg. Tot i que Bohr havia intentat una teoria general de la constitució de tots els àtoms i les molècules, en la pràctica només explicava l'àtom d'hidrogen. Tanmateix, els experiments de Frank i Hertz (1914) i Stern i Gerlach (1922) van demostrar respectivament l'existència dels estats estacionaris postulats per Bohr i la quantització espacial.

El model atòmic no és l'única aportació de Niels Bohr a la mecànica quàntica. Va contribuir decisivament a la formulació de la coneguda com "Interpretació de Copenhaguen" de la mecànica quàntica, considerada com la interpretació ortodoxa i que ha estat àmpliament confirmada per tots els experiments posteriors. És famosa la seva controvèrsia amb Einstein sobre la consideració de la mecànica quàntica com una teoria física completa. [7,8]

Des d'un principi la interpretació de la teoria subjacent en la mecànica quàntica va dividir als físics a dues escoles que van mantenir un encès debat. D'una banda, els defensors de la "Interpretació de Copenhaguen", capitanejats per Bohr, entre els quals hi havia Born, Heisenberg, Jordan, Pauli i Dirac. Per l'altra, "els cavallers del continu", acabdillats per Einstein i entre els quals hi ha alguns més dels pares de la mecànica quàntica, com Schrödinger, De Broglie, Planck, Von Laue i Landé.

El fons de la qüestió rau, en paraules d'Einstein, en si la mecànica quàntica és una "teoria completa". En qualsevol cas, la controvèrsia es va centrar en diversos aspectes de la interpretació de la mecànica quàntica, no en la capacitat d'aquesta per predir dades experimentals. Einstein, el més representatiu dels físics contraris a la interpretació de Copenhaguen diu:

"...aquesta interpretació no descriu què passa realment entre les observacions o independentment d'elles. Però alguna cosa ha de succeir, això no ho podem dubtar; aquesta alguna cosa no necessita estar descrita per electrons o quants o ones, però a menys que se li descriga d'alguna manera, l'objectiu de la física no està complet. No pot admetre’s que es referisca només a l'acte de l'observació. El físic ha postular en la seua ciència que està estudiant un món que ell mateix no ha fet i el qual estaria present, essencialment idèntic, si no estiguéssem aquí. Per tant, la interpretació de Copenhaguen no ofereix una entesa real dels fenòmens atòmics ".

Per a l'escola de Copenhaguen, les relacions d'indeterminació són una restricció associada al procés de mesurament que no reflecteixen les limitacions de l'aparell de mesura, sinó que és intrínseca al mateix procés de mesura i que, per tant, no desapareixerà amb els avenços de la tècnica de mesura. Representa una limitació de caràcter fonamental que s'aplica permanentment i, per tant, constitueix un principi de la natura, perquè només és accessible al coneixement el sistema en interacció amb l'observador. Com diu Heisenberg, els que s'oposen a la interpretació de Copenhaguen:

"...prefereixen retornar a la idea d'un món objectiu real, les parts més petites del qual existeixen objectivament, com les pedres i els arbres hi existeixen, independentment que els estiguem observant o no. Això, però, és impossible, o almenys no enterament possible, a causa de la naturalesa dels fenòmens atòmics ".

El comportament d'una partícula quàntica és intrínsecament estadístic, sense que hi haja la consideració de les causes d'aquest comportament; aquest fenomen no és analitzable.
Per tant, com conclou el mateix Bohr:

"...la mecànica quàntica porta implícita la necessitat de renunciar definitivament a l'ideal clàssic de la causalitat"

Referències:

1.- Bohr N. "On the constitution of atoms and molecules" Philosophical Magazine 26 (1913) 1-25
2.- Bohr N. "On the constitution of atoms and molecules" Philosophical Magazine 26 (1913) 476-502
3.- Bohr N. "On the constitution of atoms and molecules" Philosophical Magazine 26 (1913) 857-875
4.- http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/press.html
5.- Planck M. "Sobre la teoría de la ley de distribución de la energía del espectro normal" Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2 (1900) 237-245
6.- Einstein A. "Un punto de vista heurístico acerca de la creación y transformación de la luz", Annalen der Physik 17 (1905) 132-148
7.- Bohr, N. "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?" Physical Review 48 (1935) 696-702
8.- Einstein, A., Podolsky B. and Rosen, N. "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?" Physical Review 47 (1935) 777-780

Més informació:

Sobre el model atòmic de Bohr:
http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_atómico_de_Bohr

Sobre Niels Bohr:
http://es.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr