Bohr (II). ¿Cómo convencer a la comunidad científica?

¡Esto es un sinsentido! Las ecuaciones de Maxwell son válidas bajo cualquier circunstancia.

Max Von Laue

¿Os acordáis de que dije que el modelo de Niels Bohr fue aceptado rápidamente por la influencia de Rutherford? Pues ese “rápidamente” no fue una cuestión de días y nos servirá para descubrir cómo funciona la ciencia.

La recepción inicial del modelo de Bohr encontró rechazo en algunos de los físicos más importantes del momento y tuvieron que presentarse varias evidencias que confirmaban la cuantización del modelo atómico para convencer a la comunidad científica.

Las líneas de Pickering-Fowler

Ejemplo de líneas del espectro del hidrógeno (arriba) y helio (abajo).

Ejemplo de líneas del espectro del hidrógeno (arriba) y helio (abajo). Aparecen remarcadas sobre el espectro visible continuo. (1)

E.C. Pickering descubrió una serie de líneas extrañas en la serie espectral emitida por la estrella Zeta Puppis en 1896. Su teoría era que se debían al hidrógeno, expuesto a unas condiciones de presión y temperatura desconocidas. Para ajustar estas nuevas líneas a la ya conocida por esa época fórmula de Balmer, tuvo que hacer algo muy poco elegante: en lugar de usar números enteros para el valor de m, añadió un término extra:

Balmer-Pickering

Eso está muy feo, Pickering.

Las líneas de Pickering nunca habían sido reproducidas en laboratorio hasta que, en 1912, Alfred Fowler consiguió replicarlas con una mezcla de hidrógeno y helio. Como el hidrógeno siempre estaba presente en el experimento, se continuó pensando que era el responsable de estas líneas, que pasaron a llamarse líneas de Pickering-Fowler.

Bohr quería demostrar que su modelo atómico podía calcular todas las longitudes de onda de las líneas espectrales producidas por el hidrógeno, pero las líneas de Pickering-Fowler no encajaban en ese modelo. Los números que se usaban para dividir en la fórmula de Balmer eran considerados por Niels como el número de órbita en la que se encontraba el electrón y estos números debían ser enteros (1, 2, 3…).

La solución pasaba por buscar las líneas en otro elemento. El candidato perfecto fue el helio. Cuando el helio se ionizaba pasaba a tener un electrón en lugar de dos, y la fórmula resultante encajaba perfectamente con las líneas de Pickering-Fowler:

helium

Fórmula propuesta por Bohr que encajaba con las líneas de Pickering-Fowler. Se trataba de radiación electromagnética producida por átomos de helio ionizados cuando un electrón pasaba de las órbitas quinta en adelante a la cuarta.

La carga positiva del helio es el doble que la del hidrógeno y su masa es cuatro veces la del hidrógeno. Al aplicar la nueva fórmula se obtenían las líneas de Pickering-Fowler con una pequeña diferencia respecto a las que ya se habían calculado.

Los experimentos realizados hasta la fecha no habían obtenido unos resultados tan precisos como para determinar esa diferencia encontrada por Bohr. Rápidamente Rutherford puso a uno de sus colaboradores, E.J. Evans, a trabajar en el refinamiento del proceso y el estudio de estas líneas espectrales. El resultado fue el esperado por Niels.

Einstein me miró con esos grandes ojos, parecían incluso más abiertos de lo habitual, y me dijo:

—Entonces [el modelo atómico de Bohr] es uno de los descubrimientos más grandes.

Georg von Hevesy, en una carta a Rutherford explicándole la reacción de Einstein tras enterarse de la confirmación del helio como origen de las líneas Pickering-Fowler.

El primer ladrillo que pudo colocar Bohr para afianzar su modelo surgió de una observación astronómica y de años de investigación, mejora de métodos experimentales y búsqueda del conocimiento.

Los rayos X y el modelo atómico de Bohr

Cuando apareció el modelo de Bohr ya se sabía que los rayos-X era una forma de radiación electromagnética, al igual que la luz visible, pero con una longitud de onda miles de veces menor. Para conseguir rayos-X se hacía chocar un haz de electrones muy energético con distintos metales.

Según Niels, los rayos-X se producían al golpear los electrones del haz uno de los electrones de la órbitas más internas de los átomos objetivo. El electrón era sacado de su órbita y uno de los electrones de órbitas más alejadas se desplazaba al lugar que había quedado libre. Al producirse este cambio de órbita, se emitía radiación electromagnética en la longitud de onda correspondiente a los rayos-X. Con el modelo atómico de Bohr, podía conocerse la carga del núcleo de un átomo según la frecuencia de los rayos-X que emitía.

En esa época Henry Moseley trabajaba en el laboratorio de Manchester de Rutherford. No había sido un estudiante destacado, pero como miembro del laboratorio su valor era incalculable. Una vez conoció la teoría de Bohr, se puso manos a la obra y realizó dos avances importantes:

– Mejoró la precisión con la que se podía medir la longitud de onda de los rayos-X.

– Realizó una clasificación de las longitudes de onda de los rayos-X producidos por metales, desde el aluminio hasta el oro. Su trabajo en el laboratorio fue incansable hasta conseguir la clasificación completa de todos los elementos en tan solo un año.

Moseley-Fig3

Gráfica en la que Moseley representó la raíz cuadrada de la frecuencia frente al orden de los elementos en la tabla periódica. La longitud de onda a la que nos referimos en este artículo es la inversa de la frecuencia, es decir 1/f. (2)

Los resultados fueron concluyentes. Tal como había predicho Bohr, la longitud de onda de los rayos-X estaba relacionada directamente con la carga eléctrica del núcleo del elemento que los producía.

Además, Moseley confirmó la existencia de varios huecos en la tabla periódica. Elementos como el renio, el prometio o el tecnecio dejaban espacios vacíos en la tabla de datos obtenida por Moseley y fueron descubiertos años después.

Y no solo eso, los datos obtenidos por Moseley permitieron la reordenación de la tabla periódica basándose en lo que acabaría llamándose el número atómico: Z. Algunas dudas existentes sobre la colocación en la tabla de algunos elementos desaparecieron con el trabajo de Moseley.

moseley

Moseley poco antes de unirse al laboratorio de Rutherford. (3)

¿Y en qué año ganó el premio Nobel este portento? Nunca. Desgraciadamente la Primera Guerra Mundial se llevó a este gran científico. Un tiro en la cabeza acabó con su vida en Turquía, cuando tenía 28 años.

La prueba del mercurio

En abril de 1914 llegó el empujón definitivo al modelo de Bohr. James Franck y Gustav Hertz consiguieron un método para crear haces de electrones controlando su energía cinética. Para probar su dispositivo pusieron mercurio gaseoso en el camino del haz de electrones. Su idea era ver cómo se transfería energía del haz de electrones a los átomos de mercurio.

Lo que descubrieron fue que cuando se alcanzaban ciertos niveles de energía en el haz, se producía una transferencia casi completa de la energía a los átomos de mercurio, cayendo de forma abrupta la señal de salida del haz de electrones.

franck-hertz-resultado

Imagen de la gráfica presentada por Franck y Hertz. En el eje x se representa el voltaje que se aplicaba mediante el haz de electrones y en el eje y la corriente que se registraba. En cada múltiplo de 4.9eV se producía una caída significativa en la intensidad de corriente. (4)

Franck y Hertz no conocían el modelo teórico de Bohr, presentaron su trabajo realizando una interpretación en base a las teorías aceptadas en la época. En cuanto el danés se enteró de este trabajo, encontró la prueba definitiva de la validez de su modelo.

Lo que ocurría era que el haz de electrones aumentaba su energía hasta llegar al valor de 4.9eV (electrón-Voltio), momento en el que alcanzaba una energía igual a la que necesita el mercurio para pasar de su estado fundamental a uno excitado. Los electrones del haz golpeaban a los electrones de los átomos de mercurio y en la colisión les transmitían la energía suficiente para pasar desde el primer nivel del átomo de mercurio al segundo. Cuando el electrón volvía a su posición original, se emitía radiación electromagnética en forma de luz ultravioleta. Cuando se alcanzaba de nuevo un múltiplo de 4.9eV, los electrones del haz eran capaces de excitar a un átomo más de mercurio, produciéndose de nuevo una bajada drástica en la señal de salida.

Franck y Hertz obtuvieron el premio Nobel en 1925 gracias a este experimento.

franck - hertz

—Fíjate Gustav, qué bien me ha peinado el fotógrafo de los Nobel. Ni con Rutherford consiguió tal nivel de repeinao.
—¿Ya estamos con el cachondeito, James?

El modelo de Bohr se impuso definitivamente entre la comunidad científica, pero para ello hubo que aportar pruebas de su validez. El continuo desarrollo de la ciencia ofreció a Bohr las pruebas que necesitaba. Su modelo no surgió de la nada, sino de la necesidad de explicar fenómenos que estaban descubriéndose en distintos laboratorios del mundo. Esto provocó que se buscaran teorías que encajaran con estos fenómenos. La teoría de Bohr fue la más precisa a la hora de describir estos fenómenos y a la hora de realizar predicciones. De esta forma, fue finalmente aceptada por la comunidad científica.

En 2013 estamos celebrando los 100 años de existencia de este modelo; se ha avanzado mucho en el conocimiento del átomo y poco nos queda ya del modelo de Bohr. Pero siempre recordaremos cómo en 1913, un danés decidió contravenir la física establecida e iniciar un nuevo camino.

Este artículo participa en la XXIX Edición del Carnaval de Química, que organiza “más ciencia, por favor“. 

Más información

Bohr (I): El átomo y el cuanto.

Plaskett, H. H. The Pickering Series and Bohr’s Atom. Journal of the Royal Astronomical Society of Canada, Vol. 16.

Moseley, M. A. The high-frequency spectra of the elements. Phil. Mag. (1913).

Premio nobel de física de 1925 en nobelprize.org.

Manjit Kumar. Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality. Icon Books, 2009.

Imágenes

(1) http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/lessons/xray_spectra/worksheet-specgraph2-sol.html

(2) http://www.chemteam.info/Chem-History/Moseley-article.html

(3) http://www.aip.org/history/exhibits/rutherford/sections/alpha-particles-atom.html

(4) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1925/franck-lecture.pdf

Anuncios

Publicado el 4 noviembre, 2013 en Carnaval de química, Descubriendo el átomo, Historia de la ciencia, Pioneros de la cuántica, Uncategorized y etiquetado en , , , , , , . Guarda el enlace permanente. 9 comentarios.

  1. Curiosa la historia de Bohr eh, interesante.

  2. Ya te vale moderar los comentarios, cagueta.

  3. Muy interesante, sin duda Bohr ha sido uno de los más grandes de la Historia.
    Sobre las interacciones de fotones con electrones pero fuera del átomo, aporto este enlace por si su consulta es de interés para tus lectores:
    http://forum.lawebdefisica.com/entries/588-Interacci%C3%B3n-fot%C3%B3n-electr%C3%B3n
    Espero que te “cures” pronto de la “paternidad” y vuelvas a escribir nuevos e interesantes artículos, 🙂

  1. Pingback: Bitacoras.com

  2. Pingback: Bohr (II). ¿Cómo convencer a la c...

  3. Pingback: Bohr (II). ¿Cómo convencer a la c...

  4. Pingback: El experimento de Thomson | El zombi de Schrödinger

¡Un comentario para un ex-leproso!

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

A %d blogueros les gusta esto: