Los modelos atómicos y el desarrollo de la mecánica cuántica

Las investigaciones sobre la interacción entre la luz y la materia y sobre los espectros atómicos, el descubrimiento de la radiactividad, los estudios sobre la relación entre la electricidad y la materia y las conclusiones obtenidas del análisis de los llamados Cathodenstrahlen (rayos catódicos) producidos en los tubos de vacío fueron, entre otras muchas causas, el punto de partida de los modelos atómicos de principios del siglo XX.

• En 1897, Joseph John Thomson (1856-1940) publicó varios artículos en los que estudiaba la desviación de los rayos catódicos provocada por un campo eléctrico creado dentro del tubo. Thomson pudo calcular el cociente entre carga y masa de las partículas que formaban los rayos catódicos y comprobó que era independiente de la composición del cátodo, del anticátodo o del gas del tubo. Se trataba –concluyó Thomson– de un componente universal de la materia. Hoy denominamos a estas partículas que constituyen los rayos catódicos "electrones". Thomson se convirtió en defensor de un modelo atómico que consideraba el átomo de hidrógeno como una esfera cargada positivamente, de unos 10-10 m, con un electrón oscilando en el centro.

• Al igual que pasó con los rayos catódicos, la naturaleza de los rayos descubiertos por Wilhem Conrad Röntgen en 1895 fue motivo de controversia en los primeros años de su descubrimiento. El carácter misterioso de sus propiedades llevó a Rönteg a denominarlos "rayos X". Los rayos X suscitaron el interés de numerosos investigadores, entre ellos el francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Becquerel estudió las características de los rayos emitidos por las sales de uranio y observó, casualmente, que eran capaces de impresionar una placa fotográfica sin intervención de la luz solar. En 1897, la joven polaca Marie Sklodovska, que había contraído matrimonio dos años antes con Pierre Curie, profesor de la Ecole de Physique et de Chimie de Paris, eligió como tema de su tesis doctoral el estudio de los rayos uránicos de Becquerel. Un año después Pierre y Marie Curie anunciaron el descubrimiento de dos elementos más radiactivos que el uranio: el polonio y el radio.

• En 1895, Ernest Rutherford (1871-1937) comenzó a trabajar sobre las características de la radiación emitida por las sustancias radiactivas en el laboratorio de J. J. Thomson, un tema que también estaban estudiando el matrimonio Curie. En el curso de su estudio comprobó la existencia de dos tipos de radiaciones diferentes que denominó a y b. Años más tarde, en su laboratorio de Manchester, Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Rutherford, lanzaron partículas a contra placas delgadas de diversos metales y, sorprendentemente, comprobaron que una pequeña fracción [una de entre 8.000] de las partículas a que llegaban a una placa metálica volvían a aparecer de nuevo en el lugar de partida. Rutherford consideró que el modelo atómico de Thomson era incapaz de explicar estas desviaciones y en abril de 1911 propuso un modelo atómico que trataba de explicar esta experiencia. El modelo, que había sido propuesto anteriormente por el investigador japonés Hantaro Nagaoka, consistía en un núcleo central (una esfera de 3x10-14 m de radio) que podía estar cargado positiva o negativamente, rodeado de una "esfera de electrificación" de unos 10-10 m de radio, con la misma carga, pero de signo opuesto, que el núcleo. Este modelo tenía un problema obvio: las cargas eléctricas girando alrededor del núcleo debían tener una aceleración producida por este movimiento circular y, por lo tanto, deberían emitir radiación y perder energía hasta caer en el núcleo. Dicho en otras palabras, el modelo era inestable desde el punto de vista de la física clásica.

• Los estudios sobre los espectros de emisión y absorción de los diferentes elementos y compuestos eran realizados de modo sistemático desde los trabajos de Bunsen y Kirchhoff que dieron lugar al primer espectroscopio en 1860, asunto que tratamos en nuestra exposición en el apartado dedicado al desarrollo de la espectroscopía. A finales del siglo XIX, tras numerosas propuestas anteriores, Robert Rydberg (1854-1919) pudo proponer una fórmula general para los valores las longitudes de onda de las rayas espectrales del hidrógeno:

en la que n1 y n2 eran números enteros y R la constante de Rydberg cuyo valor es de 1.097 · 107 m-1. Se trataba de una ley empírica para la cual no existió una explicación teórica aceptable hasta el desarrollo del modelo atómico de Niels Bohr (1885-1962) a principios del siglo XX.

• Un ejemplo de las ideas existentes sobre el enlace químico a principios de siglo, antes del desarrollo de la mecánica cuántica, son los modelos de Gilbert Newton Lewis (1875-1946). Estos modelos, popularizados por químicos como Irving Langmuir (1881-1957), siguen siendo utilizados para explicar algunas características de los enlaces químicos, a pesar de que han sido superadas muchas de las ideas que sirvieron a su autor para proponerlos en 1916.

• Hemos personificado en la obra de Max Plank (1858-1947) el punto de partida de la mecánica cuántica. Sus trabajos sobre la radiación emitida por el "cuerpo negro", le llevaron a postular la existencia de "paquetes de energía" de valor igual al producto de la frecuencia de la radicación por una nueva constante, la constante de Plank, que designamos con la letra "h" y cuyo valor es de 6.626 x 10-34 J.s.

• En la fotografía que recoge a los asistentes al congreso Solvay de 1927 podemos encontrar algunos de los científicos que contribuyeron a desarrollar la mecánica cuántica durante el primer tercio de este siglo: Paul Dirac (1902-1984), Erwin Schrödinger (1887-1961), Albert Einstein (1879-1955), Louis de Broglie (1892-1987), Wolfang Pauli (1900-1958), Werner Karl Heisenberg (1901-1976), Max Born (1882-1970) o Niels Bohr (1885-1962), entre otros.

• La aplicación de la mecánica cuántica a la resolución de los problemas de la química fue obra de científicos como Linus Pauling (1901-1994), autor de libros tan importantes en este sentido como su Introduction to Quantum Mechanics, with Applications to Chemistry (1935) o The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals (1939). Entre otras muchas aportaciones, Linus Pauling fue el introductor de nuestro concepto moderno de electronegatividad.