El modelo atómico de Bohr


Dejábamos nuestra historia de la materia hace poco más de 100 años. Hacia el final de la primera década del siglo XX, el científico neozelandés Ernest Rutherford, a la luz de los resultados experimentales, había descartado el modelo propuesto para el átomo por JJ Thompson y postulado un modelo planetario en el que existía un núcleo que concentraba la mayor parte de la masa del átomo y la carga positiva y que tenía un radio de 10-14 a 10-15m y un conjunto de electrones orbitando a una distancia de unos 10-10m de ese núcleo.

Sin embargo, el modelo atómico de Rutherford presentaba un pequeño inconveniente y era que, sobre la base de la electrodinámica clásica, formulada por James Clerk Maxwell era inherentemente inestable. A diferencia de un sistema planetario, las partículas que se mueven en el modelo atómico de Rutherford son partículas cargadas (electrones) y su movimiento tiene lugar dentro de un campo eléctrico (el creado por el núcleo atómico). De acuerdo a la electrodinámica clásica, el átomo debería emitir energía en forma de ondas por lo que, de forma inexorable, los electrones terminarían cayendo sobre el núcleo atómico y esto ocurriría, de acuerdo a los cálculos, en centésimas de microsegundo. Sin embargo, la realidad nos dice que, en general, los átomos son estables y la realidad hizo que no se prestara mucha atención al modelo de Rutherford.

En estas llegamos a finales de 1911, en aquel entonces JJ Thompson, tenía trabajando con él a un joven físico danés, de nombre Niels Bohr, que había llegado a Cambridge atraído por el prestigio de Thompson y consideraba que era donde se hacía la física más avanzada del momento. Al parecer, la relación personal entre el joven estudiante de post-doctorado danés y el laureado físico británico no se desarrolló de forma conveniente. Bohr conoce a Rutherford y le solicita continuar su post-doc con él en Manchester a lo que el neozelandés accede con la condición de que Thompson esté de acuerdo. Bohr consigue el permiso de Thompson y, a principios de 1912, se desplaza a Manchester.

Niels Bohr

Inicialmente, Bohr trabaja en determinados experimentos pero, sintiendo que la física experimental no es su fuerte, solicita y consigue de Rutherford el trabajar en el campo teórico, inicialmente en aspectos relacionados con la radioactividad que, le conducen al campo de la estructura atómica.

Bohr es consciente que intentar explicar las paradojas del modelo atómico desde un enfoque clásico es inútil. Desde el punto de vista clásico, el átomo no existe ya que es inherentemente inestable pero la realidad nos dice que los átomos existen. Es imposible, en el ámbito de la física clásica, obtener una formulación matemática teórica del átomo. Bohr, al igual que hiciera Einstein años atrás, invocando el principio heurístico, afirma que dado que los átomos son estables deberían existir configuraciones determinadas de los electrones que orbitan alrededor del núcleo que sean estables y postula que estas configuraciones están relacionadas, de forma no especificada, con la constante de Planck que, como habíamos visto, determinaba la cuantización de la energía.

Bohr llega a afirmar que:

… parece rigurosamente probado que la mecánica no puede explicar los hechos que tienen que ver con problemas relacionados con átomos individuales

Es decir, cuando nos aproximamos a lo más pequeño, el modelo propuesto por la mecánica clásica no explica, de forma correcta los hechos. Se hace necesario un nuevo modelo no clásico capaz de dar explicación a los fenómenos que ocurren en esa escala. De forma similar a la Ley de Planck que establece que la energía en forma de radiación se emite (ya bosorbe) en múltiplos enteros de cantidades discretas, denominadas cuantos (hν), Bohr afirma que los electrones se encuentran únicamente en órbitas con energías que son múltiplos enteros de hν.

Bohr trabaja en su modelo atómico durante 1912 y 1913 buscando resultados experimentales que permitan darle validez. En 1913 la llamada fórmula de Balmer reclama su atención. La fórmula de Balmer (generalizada posteriormente por Rydberg) es una fórmula puramente empírica que permite relacionar las distintas líneas que aparecen en el espectro del Hidrógeno:

Fórmula de Balmer

R es la denominada constante de Rydberg. Bohr es capaz de dar una explicación a las líneas espectrales afirmando que esas líneas representan la diferencia de energía entre las distintas órbitas estables de su modelo atómico, deriva el valor de R de otras constantes físicas (constant de Planck, masa del electrón y carga del electrón) y predice la aparición de nuevas líneas en regiones del espectro no exploradas.

Adicionalmente, Bohr define que las órbitas de los electrones deben tener un momento angular determinado y fijo y que las transiciones de los electrones entre las distintas formas ocurren en forma de saltos instantáneos. Bohr escribe:

… el equilibrio dinámico de los sistemas en [las órbitas estables] puede discutirse con la ayuda de la mecánica ordinaria mientras que el paso de los sistemas entre las diferentes [órbitas estables] no puede ser tratado de acuerdo a esa base.

El modelo atómico de Bohr, que en justicia debería ser de Bohr-Rutherford, es esencialmente el vigente en la actualidad. La explicación del espectro del Hidrógeno, le supuso un gran éxito pero, sin embargo, se trataba, al igual que la Ley de Planck, de algo misterioso siendo origen de múltiples preguntas: ¿qué son realmente los números cuánticos?¿qué significado físico tienen?.

11 comentarios

Archivado bajo Explicaciones

11 Respuestas a “El modelo atómico de Bohr

  1. Pepe

    Como si lo viera, próximo post del dotor cuentico, alias “notengotítulos”, alias”elbarcoantárticodelamor: “El gran triunfo de la Radiofrecuencia Cuántica Diferencial con amor incodicional: el modelo atómico de Bohr, si eso también lo inventé yo después del internet”
    Y como segunda parte, el gran artículo “Los números cuánticos y la radiación Schumann con mejillones”

    • Veremos, ahora está en la parte de “yo soy Rafa y amo a todo el mundo” de su ciclo, cuando vuelva a la parte de “todo por la pasta” aparecerá algún post para criticar. Mientras tanto tocan posts de ciencia “enlatados”.

      Saludos Pepe

  2. Noentreguestupoder

    Hola me gustaría que hablaras también del modelo atómico de Schrodinger… tengo entendido que el modelo atómico actual es el de Schrodinger, con base en el de Bohr.

    Muy interesantes los aportes del blog. Saludos.

    • Muchísimas gracias por tu comentario.

      Me parece bien lo que planteas pero tenemos que ir quemando etapas poco a poco. Me refiero que hay que hablar de la dualidad onda partícula y del principio de incertidumbre antes de poder abordar el modelo atómico de Schrödinger.

  3. Magnificos articulos divulgativos tanto el anterior “Historia de la materia” como este. Me quedo a la espera de mas. Con vuestro permiso los comparto. Un saludo.

  4. Otra cosilla… estos articulos son creative commons? Lo pregunto por si se pueden usar en otros blogs, por supuesto citando la fuente…

    • Por supuesto que puedes utilizarlos, de hecho no tienen licencia, son originales en el sentido de que los escribo yo pero no tienen ningún tipo de copyright.

      De nuevo gracias por divulgarlos.

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