Ese punto azul pálido (Pale Blue Dot): Sobre el modelo atómico de Bohr: Haas, Rutherford, Sommerfeld y otros gigantes (I)

El modelo atómico de Bohr de 1913 ha quedado en los libros de texto y en el inconsciente colectivo -como conté en 2010 en ¿Por qué el Dr. Manhattan eligió a Bohr?- como un elegante modelo planetario en miniatura en donde se presenta al átomo como una carga positiva (el núcleo) rodeado por unos electrones de carga negativa que viajan en órbitas circulares alrededor del mismo y en donde las fuerzas electrostáticas ejercen el papel de la gravedad. Muy bonito pero...

Publicado a lo largo de 1913 en la revista Philosophical Magazine, se le considera como el primer modelo cuántico del átomo aunque sabemos en realidad que eso no es cierto porque fue el quinto.

La primera persona a la que se le ocurrió la idea de aplicar la hipótesis de la cuantización de la energía de Planck al átomo fue al físico austríaco Arthur Erich Haas mientras disfrutaba de su periodo doctoral en la universidad de Viena. Haas publicó su trabajo en 1910 y lo hizo tomando como referente el modelo atómico anterior de Thomson, el de 1904 que era el vigente, pero su idea fue rechazada e incluso ridiculizada por cierto sector de la comunidad científica de Viena. La principal y más importante, aunque poco conocida, contribución de Haas, estuvo en la deducción de la expresión hv= e2/a que establecía una relación entre la constante de Planck (h) y las dimensiones del átomo, y que condujo a estimar correctamente la magnitud que hoy conocemos como radio de Bohr. ¿Alguien había oído hablar alguna vez de Arthur E. Haas?

Esta es su foto. No hay muchas imágenes de él.

Haas | Fuente

El físico neozelandés Ernest Rutherford había desmontado el modelo atómico de Thomson con su famoso experimento de la lámina de oro, en el que concluyó que el átomo tiene un núcleo pequeño y muy masivo. Los resultados inesperados del experimento, como así lo expresó el propio Rutherford, fueron los que le condujeron a tal conclusión.

Pero el modelo planetario propuesto por Rutherford en el que los átomos consistían en una nube difusa de carga negativa formada por electrones, y en el que estos electrones rodean a un núcleo pequeño y muy denso, cargado positivamente, presentaba serias objeciones. Según las leyes de la mecánica clásica de Newton y la fórmula de Larmor, cualquier partícula en constante aceleración alrededor de otra debía perder energía. Debido a que el electrón perdería dicha energía, se precipitaría gradualmente hacia dentro trazando una espiral y colapsando en el núcleo. Los átomos serían inestables. Y por otro lado, en el modelo de Rutherford había continuidad geométrica y energética, lo conducía a contradecir los hechos experimentales relacionados con la discontinuidad de los espectros atómicos.

Rutherford en su laboratorio

En aquel momento Niels Henrik David Bohr era un prometedor físico danés que, tras obtener su doctorado en 1911 con una tesis sobre la teoría electrónica de los metales, se interesa por la estructura del átomo individual trasladándose ese año a Inglaterra donde comienza a trabajar con J.J Thomson en los Laboratorios Cavendish y posteriormente, ya en 1912, con Ernest Rutheford en la universidad de Manchester.

Bohr, James Frank, Einstein e Isaac Rabi

Es en Manchester cuando Niels Bohr se concentra en elaborar una teoría firme que permita explicar los hechos experimentales que el modelo de Rutherford no explicaba. Las objeciones al modelo de Rutherford, en especial su inestabilidad, era para Bohr una limitación de la física clásica establecida. Teniendo en cuenta que la aplicación de las leyes física de Newton y Maxwell predecían la caída de los electrones en el núcleo y por tanto la inestabilidad del modelo, Bohr asumió que la cuestión de la estabilidad había que contemplarla desde una perspectiva diferente. Bohr restringió el movimiento de los electrones a unas órbitas determinadas, cuantizando dichas órbitas. Si la información experimental que dan los átomos en sus espectros es un conjunto discreto de determinadas líneas espectrales, debe corresponderse con una estructura discreta del átomo que implica un conjunto de órbitas en las que el electrón no emite radiación. Son los llamados “estados estacionarios”.

Otra aportación importante en la historia del desarrollo del modelo de Bohr fue hecha por un físico danés aficionado llamado Antonius van den Broek. La idea de la correlación directa de la carga del núcleo del átomo y la tabla periódica estaba contenida en su artículo que Van den Broek publicó en la revista Nature el 20 de julio de 1911, apenas un mes después de que Rutherford publicara los resultados de sus experimento de la lámina de oro. La idea de Van den Broek se confirmó con el trabajo de Henry Moseley, que confirmó que la carga nuclear del átomo, su número atómico, era un número entero propio de cada elemento químico y el parámetro esencial que decidía su ubicación en la tabla periódica. El modelo de Bohr le permitió a Henry Moseley predecir la existencia de elementos químicos aún no descubiertos.

El modelo atómico de Bohr fue ampliado por el físico alemán Arnold Sommerfeld, el maestro de maestros, a finales de 1915. Sommerfeld introdujo las órbitas elípticas Y este es el modelo gráfico, y también erróneo, que persiste entre nosotros.