Modelos atómicos y mecánica cuántica
El mundo científico de fines del siglo XIX era muy distinto del presente. La investigación se basaba en el empeño individual, en donde contaba más el genio y la perspicacia del investigador que el material del laboratorio.
Los medios disponibles, ridículos por comparación con los actuales, hacían que los científicos hubiesen de idear y construirse sus montajes experimentales sin prácticamente ayuda alguna.
Antoine Henri Bequerel (1852-1908) fue quien había de ser el adelantado de la apasionante aventura de los modelos atómicos y la mecánica cuántica, que se iniciaba en las postrimerías del siglo XIX y tendría su culminación a finales de los años 20 del siglo XX.
En el año 1895, el físico alemán Wilhelm Konrad von Roëntgen descubrió los rayos X; Roëntgen observó que las paredes de un tubo en el que se había hecho el vacío emitían una radiación en la región en la que un haz de rayos catódicos incidía en el vidrio. A esta radiación se le dio el nombre de rayos X.
El descubrimiento de Roëntgen, con sus espectaculares fotografías que permitían ver cuerpos ocultos a simple vista, tuvo una gran repercusión en el mundo científico y fueron numerosos los investigadores que se ocuparon del hecho tratando de descubrir su naturaleza. Entre ellos se encontraba Bequerel, el cual pensó que quizá la fluorescencia era lo que originaba los rayos X.
Puesto que la fluorescencia se producía al iluminar los rayos de sol el material fluorescente, él necesitaba que, mientras esto sucedía, la fluorescencia del material impresionase una placa fotográfica. Él suponía que el efecto desaparecía en cuanto la luz solar dejaba de activar la sustancia.
El 26 de Febrero de 1896 el cielo estaba cubierto, y Bequerel dejó como siempre su montaje expuesto a la luz. Pero al no salir el sol supuso que el experimento era nulo aquel día y guardó todo en el cajón. Al revelar la placa se encontró con que la imagen era similar a la obtenida en otras ocasiones, pero mucho más intensa, lo cual echaba por tierra sus ideas basadas en que la radiación era debida a la fluorescencia. Había encontrado una nueva radiación, la cual pronto comprobó que era debida al Uranio.
La cuestión que lógicamente debía plantearse es si había otras sustancias distintas del Uranio que fuesen también capaces de emitir el mismo tipo de radiaciones. Esta fue la tarea que emprendieron Pierre y Marie Curie, que les llevaría al descubrimiento del Radio. Marie Curie pudo comparar las diferentes intensidades de radiación de los cuerpos activos. Posteriormente, continuando sus investigaciones encontraron un elemento que les llevó a la fama, y al que dieron el nombre de Radio, nombre sugerido por la extraordinaria intensidad de su radiación.
En 1897, J. J. Thomson mostró que cuando los rayos catódicos eran desviados hacia el electrodo de un electrómetro, el instrumento medía una carga negativa. Thomson fue el primero en demostrar que los rayos podían ser desviados por la aplicación de un campo eléctrico, alejándose con esta desviación del electrodo negativo. Todos estos resultados se encontraron independientemente del gas presente y del material del tubo de descarga. El hecho de que se encontraran con independencia del gas utilizado en el tubo de descarga daba a entender que no se trataba de un tipo especial de átomo electrificado, sino de un fragmento universal presente en todos los átomos. Thomson pudo calcular el cociente entre carga y masa de las partículas que formaban los rayos catódicos. Hoy denominamos a estas partículas que constituyen los rayos catódicos electrones. Thomson se convirtió en defensor de un modelo atómico que consideraba el átomo como una esfera cargada con los electrones oscilando en ella.
En 1895 Ernest Rutherford (1871-1937) comenzó a trabajar sobre las características de la radiación emitida por las sustancias radioactivas en el laboratorio de J. J. Thomson, donde comprobó la existencia de dos tipos de radiaciones diferentes que denominó a y b . En 1902 descubrió que la radiación a , que se había creído hasta entonces que se componía de ondas, era realmente una radiación de partículas mucho más pesadas que los electrones de la radiación b . Comprobó la carga positiva de las partículas a , su velocidad y la relación entre la carga y la masa, lo que le llevó a determinar que dichas partículas eran Hidrógeno o Helio.
En 1906 Rutherford había notado que si se interponía en su camino una fina película de mica, las trazas que hacían partículas sobre una placa fotográfica mostraban una cierta dispersión. Al llegar a Manchester emprendió una serie de experimentos, realizados por Geiger y Marsden, para estudiar más detenidamente la desviación de las partículas a . Un haz de partículas alfa puede atravesar una fina capa de átomos, pero algunas de las partículas son desviadas un pequeño ángulo, mientras que unas pocas lo son con ángulos importantes, y alguna, muy rara, sufre una desviación cercana a los 180 grados, como si rebotase.
El modelo de átomo de Rutherford se trata de la reproducción del sistema planetario, en la que el núcleo toma el valor del sol, y los electrones el de los planetas. Sin embargo quedaba por resolver un problema importante, que Rutherford no podía ignorar: La incongruencia de los electrones girando en órbitas planetarias, ya que debían tener una aceleración producida por un movimiento circular, y por lo tanto deberían emitir radiación y perder energía hasta caer en el núcleo. El modelo era inestable desde el punto de vista de la física clásica.
En 1911 Niels Bohr, recién obtenido su diploma de doctor, llegaba a Cambridge con la intención de ampliar sus estudios en el laboratorio Cavendish. Posteriormente se trasladaría a Manchester, donde trabajaría con Rutherford. A mediados de 1912 empezó a madurar la nueva teoría de Bohr. Aunque Fajans y Soddy habían explicado el ascenso o descenso de los átomos en la tabla periódica, no acertaron a ver su relación con la estructura del átomo; no creyeron que las partículas proviniesen del núcleo. Bohr, por el contrario, pensó que las partículas expulsadas provenían del núcleo.
Entre tanto, Max Planck estudió el espectro de radiación del cuerpo negro. Ello le llevó a establecer los siguientes principios: La radiación tiene lugar en paquetes (los llamados cuantos) de energía. Cada cuanto consiste en radiación de una sola frecuencia. La fórmula que define el tamaño de los cuantos es :
Energía = Frecuencia de la radiación * constante de Planck (6.626*10-34)
Bohr estaba al corriente de las teorías de Planck, así como de su confirmación por Einstein al explicar el efecto fotoeléctrico. Al enfrentarse ahora con la estructura del átomo tuvo la intuición de que tal vez la mecánica clásica tampoco fuese de aplicación en este caso. A su regreso a Copenhague establecería definitivamente su modelo atómico.
La mecánica cuántica también se desarrolló a lo largo de muchos años, y en ella intervinieron gran parte de los físicos más destacados, a partir del momento en que Planck hiciera su extraordinaria hipótesis antes comentada.
Las ideas de Planck y Einstein, introducidas en Francia por Henri Poncairé, captaron al príncipe Louis de Broglie e hicieron patente su interés por la física teórica. En 1923 llegó a establecer la relación que existía entre una partícula material y la propagación de una onda asociada.
En 1924 Pauli enunció su principio de exclusión, en virtud del cual no puede haber dos electrones en un átomo que tengan el mismo estado o, dicho de otro modo, que tengan iguales los cuatro números cuánticos. El cuarto número cuántico servía para determinar el momento angular o espín del electrón. Los otros tres números cuánticos eran el total, el orbital y el magnético.
Heisemberg desarrolló una nueva teoría que se fundaba únicamente en lo que constituían los caracteres identificables de los átomos: Las frecuencias e intensidades de sus rayas espectrales. Hizo un estudio basado en la utilización de matrices que se designó mecánica matricial. Como conclusión básica de esta teoría, Heisemberg había hallado que el producto de la posición por la cantidad de movimiento no era igual al de la cantidad de movimiento por la posición, a partir de lo cual dedujo su principio de incertidumbre, en el que señaló que no era posible determinar la posición y la cantidad de movimiento simultáneamente.
A finales de 1925 las ideas cuánticas habían llegado a un avanzado estado de desarrollo. Así, cuando Heisemberg, Born y Jordan trataban de poner en orden la teoría matemática del átomo, Paul Dirac fue capaz de establecer una nueva teoría matemática que eliminaba las dificultades con las que el trío se encontraba.
Erwin Schrödinger, en tan sólo unos meses de intenso trabajo fue capaz de establecer una teoría del átomo, sin relación alguna aparente con la de Heisemberg y Dirac. La teoría que enunció estaba estrechamente ligada a las ecuaciones de Newton, pero trataba las partículas como ondas contínuas propagándose. Para llegar a establecer su ecuación hubo de basarse en las ideas de de Broglie. La ecuación de Schrödinger coronó la etapa fundamental del desarrollo de la mecánica cuántica. En Junio del mismo año Max Born estableció que las ondas de Schrödinger no eran ondas de materia, sino ondas de probabilidad asociadas a las partículas.
A principios de 1926 había tres teorías aparentemente distintas. En el transcurso del mismo año Schrödinger y Dirac demostraron que las tres eran equivalentes.
Protagonistas:
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