Archivo de la categoría: Descubriendo el átomo

Grandes personajes que participaron en el descubrimiento del interior del átomo y sus historias.

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.

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#Trending Ciencia: Centenario del modelo atómico de Bohr

Ejem, señores del servicio postal danés. En el modelo de Bohr las órbitas era circulares. Se han colado, como el rey pensando que Niels era su hermano.

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Hace unas semanas celebrábamos en el blog el centenario del modelo atómico de Bohr y hoy lo volvemos a celebrar con una pequeña pieza de podcast en Trending Ciencia.

Yo pensaba que tenía una voz varonil e impactante, hasta que grabé este podcast y descubrí la triste realidad. Con esta primera experiencia, he aumentado mi respeto a todos los que se ponen delante de un micrófono. Además, me he alegrado mucho, porque he descubierto que tengo un margen de mejora infinito como colaborador de Trending Ciencia.

Mi agradecimiento a Iván Blanquer de La Biblioteca de Alejandría por convencerme de esta locura y aguantar estoicamente mis dudas y neuras. Y también agradecer a César Tomé, que se ofreció sin pensarlo a revisar el guión inicial de este pequeño programa.

—Zombi, déjate de tus rollos habituales y pásanos el link.

—Por supuesto, aquí lo tenéis:

Y no os olvidéis de visitar las entradas de la serie Descubriendo el Átomo, donde os encontraréis con gigantes del tamaño de Thomson, Rutherford, Chadwick o Bohr.

Esta entrada participa en el Carnaval de Química que organiza Bernardo Herradón en su blog Educación Química.

Bohr (I): El átomo y el cuanto

—Rutherford al aparato, ¿con quién tengo el placer de hablar?

—Hola Ernst, soy Neils, ¿has recibido el artículo?

—Hola Neils, lo recibí esta mañana y ya estoy revisándolo, hay ciertos puntos que habría que cambiar.

—Ernst, no hay nada que cambiar, ahora mismo salgo para Manchester y lo discutimos.

Niels Bohr es una de las figuras más importantes de la ciencia en el siglo XX. No solo por el camino que abrió su modelo atómico, sino también por la influencia que tuvo en toda una generación de físicos.

En julio de 1913, Bohr publicó en la revista Philosophical Magazine el artículo Sobre la constitución de los átomos y de las moléculas, en el que describió el que hoy conocemos como el modelo atómico de Bohr. Pero, ¿quién era Neils Bohr?

Juventud

Niels nació el 7 de octubre de 1885 en Copenhague. Su padre, Christian, era profesor de fisiología en la Universidad de Copenhague. Su madre, Ellen, era de origen judío, perteneciente a una familia prominente en los círculos bancarios.

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El pequeño Bohr aún no conocía el principio de indeterminación de Heisenberg, pero ya lo aplicaba en las fotos familiares.

Su formación inicial transcurrió en el Gammelhom Gymnasium de Copenhague. Allí coincidió con su hermano menor Harald, un joven brillante que pronto demostró ser un portento de las matemáticas y del fútbol. Mientras Harald jugaba como centrocampista, Niels defendía la portería y se comenta que se dedicaba a escribir fórmulas en los palos, costumbre que provocó sus mejores estiradas y sus peores pifias. Una vez en la universidad, ambos hermanos llegaron a jugar en la primera división danesa con el AB y Harald jugó las olimpiadas de Londres en 1908 con el equipo danés, consiguiendo la medalla de plata.

—Me alegro de conocerle, Bohr. Es usted un gran jugador de fútbol.

—Me temo que se equivoca, Majestad, me está confundiendo con mi hermano Harald.

En la sala se produjo un silencio tenso, nadie le decía al rey que se había equivocado. El rey borró su cara de disgusto y volvió a repetir su saludo:

—Me alegro de conocerle, Bohr. Es usted un gran jugador de fútbol.

—Perdóneme, Majestad, pero como le digo, se confunde con mi hermano Harald. Yo era un portero del montón, mi hermano Harald es el jugador que consiguió una medalla de plata para nuestro país.

El rey atónito, se giró y le indicó al chambelán que la audiencia había terminado. Nadie le llevaba la contraria al rey, y menos dos veces seguidas. Quizás el problema fuera que el rey nunca se había encontrado con una figura como Bohr, que estaba acostumbrado a debatir con Rutherford durante horas hasta convencerlo.

En la universidad, Harald eligió las matemáticas, donde desarrolló una carrera brillante fundando el campo de las funciones casi periódicas. Niels eligió, un año antes, estudiar física y está claro que no se equivocó, ya que poco a poco empezó a brillar por su cuenta.

bohrs

Sí, me encantan las fotos de personas eminentes “repeinás”. Aquí tenéis a Harald y Niels posando con sus peinados dignos de un buen lametón de vaca.

El padre de Bohr estaba obsesionado con la obra de Goethe y no paraba de recitar de memoria partes de Fausto a sus hijos. Uno de esos pasajes quedó grabado en la mente de Bohr:

Fausto: —¿Cuál es el camino?

Mefistófeles: —No lo hay a través de sendas que no han sido ni serán pisadas.

Neils Bohr empezó a demostrar su caracter en su tesis doctoral. Estudió la teoría del electrón en los metales y las incongruencias que se habían descubierto en esa época con la teoría electromagnética. Su conclusión fue que las leyes de la física clásica no tenían aplicación a nivel subatómico y para describir lo que sucede dentro del átomo era necesaria una nueva física. Bohr empezó a darse cuenta de que había que iniciar un nuevo camino en la ciencia para explicar todas las incongruencias que la radiactividad y el átomo estaban produciendo en la física.

Para seguir con sus estudios sobre el átomo, decidió desplazarse a Londres, donde J.J. Thomson lo acogió en el laboratorio de Cavendish.

Inglaterra

La estancia de Bohr en el laboratorio de Cavendish no fue agradable. Su inglés era insuficiente y sus ideas demasiado revolucionarias para un grupo de investigadores conservadores. Bohr no pensaba cambiar sus ideas, pero sí se dedicó en cuerpo y alma a mejorar su inglés leyendo las obras de Dickens.

Un rico átomo de Thomson dispuesto para ser engullido

Un rico átomo de Thomson dispuesto para ser engullido. El modelo atómico de Thomson es como un muffin en el que la carga positiva está repartida en el propio muffin y las pepitas de chocolate son los electrones, con la carga negativa.

La suerte sonrió a Bohr cuando su desesperación estaba llegando al límite. En una fiesta dedicada a la memoria de Henry Cavendish, conoció a Ernst Rutherford. La energía que transmitía el danés y el hecho de haber sido jugador de fútbol sorprendieron gratamente a Ernst, que le propuso trasladarse al laboratorio de Manchester.

Rutherford, junto a Geiger y Mardsen, había descubierto que el núcleo atómico estaba confinado en un pequeño espacio en el centro del átomo. El modelo atómico que llevaba su nombre implicaba un átomo parecido a un sistema planetario. Para que os hagáis una idea, la carga positiva sería como una canica en el centro de un estadio de fútbol y los electrones serían cabezas de alfileres dando vueltas alrededor del núcleo a la altura de las gradas.

Sin embargo, el modelo no funcionaba. Las leyes del electromagnetismo aseguraban que los electrones, al dar vueltas alrededor del núcleo, producirían radiación electromagnética, provocando una perdida de energía que les haría colapsar hacia el núcleo. El átomo de Rutherford era inestable, así que era necesario avanzar en la teoría y con este fin llegó Bohr a Manchester.

En cambio el modelo atómico de Rutherford era una especie de sistema planetario, en el que la fuerza de la gravedad era sustituido por la atracción entre cargas eléctricas.

El modelo atómico de Rutherford es una especie de sistema planetario en el que la fuerza de la gravedad es sustituida por la atracción entre cargas eléctricas.

El modelo atómico de Bohr

Para atacar el problema, Niels decidió simplificarlo lo máximo posible y eligió el hidrógeno como el átomo a estudiar. El hidrógeno es el átomo más simple que existe, consistente en una carga positiva (protón) a la que acompaña un electrón.

DrManhattan

Dr. Manhattan también elige el hidrógeno en Watchmen.

Además de contar con el modelo de Rutherford, Bohr conocía el espectro de emisión que tenía el hidrógeno. Todos los elementos de la tabla periódica tienen un espectro de emisión que los identifica, una especie de huella dactilar. Este espectro se produce cuando los átomos correspondientes se excitan y vuelven a estados con menos energía, liberando en el proceso radiación electromagnética.

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Serie de Balmer del hidrógeno. Posteriormente se descubrió que la serie de Balmer correspondía a los saltos de electrones desde órbitas superiores (n>2) a la órbita número 2 (n=2).

Así que Bohr realizó una serie de suposiciones:

Primer supuesto

Los electrones se movían alrededor del núcleo únicamente en ciertas órbitas estables en las que no se emitía radiación electromagnética. Esto lo razonó con una especie de reducción al absurdo, ya que si el electrón emitía radiación electromagnética al moverse alrededor del núcleo, los resultados experimentales serían muy diferentes a los existentes en la época.

Este primer supuesto para su teoría era una osadía por parte de Bohr, ya que podía considerarse que iba en contra lo establecido por las leyes de Maxwell. También puede considerarse como una forma fácil de evitar el principal problema que tenía Rutherford con su modelo. La cuestión es que Bohr no se quedó en ese punto y siguió su trabajo deductivo.

Segundo supuesto

Las líneas del espectro del hidrógeno se producían cuando un electrón cambiaba a una órbita que requería menos energía. El exceso de energía resultante se liberaba en forma de radiación electromagnética. La energía emitida era proporcional a la constante de Planck y a la frecuencia (hf = E_2 - E_1).

series

La serie de Balmer correspondía a “saltos” del electrón del hidrógeno con destino a la órbita 2 (n=2). En la imagen podéis ver la correspondencia entre estos saltos y la serie.

Tercer supuesto

El momento angular del electrón estaba relacionado con la constante de Planck.

Los electrones solo podían encontrarse en ciertas órbitas, caracterizadas por un número (n). Podríamos decir que el átomo de Bohr era como una caja de cambios: el electrón podía estar en el primer orbital (n=1), en el segundo (n=2), cuarto (n=4)… y moverse de un orbital a otro, por ejemplo del cuarto al primero. Lo que no podía hacer un electrón es encontrarse entre dos de estas órbitas. ¿Habéis probado a embragar antes de haber terminado el cambio de marcha? Ese ruido que escucháis es Bohr quejándose de vuestra falta de pericia.

Esta suposición tiene mucha miga: lo que estaba diciendo Bohr es que la energía mecánica del átomo de hidrógeno, las órbitas que podían seguir los átomos, estaban cuantizadas, al igual que la energía que se emitía o absorbía al cambiar de órbita.

Esto lo dedujo a partir de la acción del electrón. Dentro de una órbita tenía que ser un múltiplo de la constante de planck:

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La acción se calcula multiplicando la masa del electrón por la velocidad de este en la órbita n y el espacio recorrido en cada órbita completa, en este caso 2 pi por el radio de la órbita. El valor de la acción debía ser igual a la constante de Planck (h) por un número entero, que correspondía al número de órbita.

De donde se podía deducir que el momento angular de un electrón en una de las órbitas, era asimismo proporcional a la constante de Planck por el número de órbita, llegando a la fórmula reconocida:

Captura de pantalla 2013-07-06 a las 00.54.37

Si 2 pi nos lo llevamos al otro lado de la igualdad, tenemos que el momento angular del electrón es igual n h/(2pi). El valor h/2pi tiene su propio símbolo y se representa con una raya cruzando la parte superior de la h.

Mediante estos tres supuestos y las fórmulas obtenidas, Bohr pudo calcular el radio de las órbitas y obtener la expresión de Balmer (y la más genérica de Rydberg-Ritz) para la serie del hidrógeno. Bohr había unido el átomo de Rutherford y el cuanto de Planck en una sola teoría.

La primera ecuación que se puede ver es la expresión de Rydberg-Ritz, más genérica que la obtenida por Balmer y a la postre más útil para la demostración de Bohr. La segunda ecuación es el valor obtenido por Bohr, en base a la masa del electrón, su carga y la constante de Planck. El valor obtenido teóricamente era muy similar a la constante de Rydberg (R) que era el valor empírico que se manejaba en la época.

La primera ecuación que se puede ver es la expresión de Rydberg-Ritz, más genérica que la obtenida por Balmer y, a la postre, más útil para la demostración de Bohr. La segunda ecuación es el valor obtenido por Bohr, en base a la masa del electrón, su carga y la constante de Planck. El valor obtenido teóricamente era muy similar a la constante de Rydberg (R) que era el valor empírico que se manejaba en la época.

El artículo final tardó un tiempo en llegar. Niels era muy meticuloso y un amante del uso escrupuloso del lenguaje, así que trabajó en su artículo hasta que estuvo seguro de que en él se leían exactamente las ideas que había desarrollado. En el intervalo le dio tiempo a volver a Dinamarca y casarse, completando el artículo en Copenague. Una copia del mismo llegó a Rutherford para su revisión antes de la publicación.

—Rutherford al aparato, ¿con quién tengo el placer de hablar?

—Hola Ernst, soy Neils, ¿has recibido el artículo?

—Hola Neils, lo recibí esta mañana y ya estoy revisándolo, hay ciertos puntos que habría que cambiar.

—Ernst, no hay nada que cambiar, ahora mismo salgo para Manchester y lo discutimos.

Niels cogió el primer barco hacia Inglaterra y se plantó en el despacho de Ernst Rutherford. Discutieron durante horas y finalmente Niels consiguió que Ernst no tocara ni una sola coma del artículo.

Ejem, señores del servicio postal danés. En el modelo de Bohr las órbitas era circulares. Se han colado, como el rey pensando que Niels era su hermano.

Ejem, señores del servicio postal danés. En el modelo de Bohr las órbitas era circulares. Se han colado, como el rey pensando que Niels era su hermano.

¿Es correcto el modelo atómico de Bohr?

No, pero ayudó a iniciar definitivamente el camino de la física cuántica al aplicar el concepto del cuanto de Planck al átomo. A las pocas semanas, Sommerfeld lo amplió incluyendo órbitas elípticas y poco a poco fue siendo ampliado y sustituido. Ahora sabemos que el átomo no es una especie de sistema planetario, que los electrones no son bolitas que giran alrededor del núcleo y que los números cuánticos que determinan el lugar de un electrón en el átomo son cuatro. No obstante, el modelo de Bohr y los cambios que fueron surgiendo sobre él nos han ayudado a mejorar nuestro conocimiento sobre el átomo.

Además, la grandeza de Niels Bohr no está restringida a este modelo atómico; la labor que desarrolló posteriormente en Copenhague le situó como uno de los científicos más importantes de la historia. Pero ese es un camino que recorreremos en otra ocasión.

Este artículo participa en la edición XLIII del Carnaval de Física que aloja el blog el mundo de las ideasen la edición Z=26 del Carnaval de Química que aloja el cuaderno de Calpurnia Tate y en la VI Edición del Carnaval de Humanidades, acogido en el blog Cajón Desastre.

Otros artículos en la serie Descubriendo el átomo

Más información

Artículo presentado por Bohr en julio de 2013.

Cálculo del radio de Bohr.

Thirty years that shook physics. George Gamow. Editorial Dover.

Física para la ciencia y la tecnología, 6ª edición. Tipler – Mosca. Editorial Reverté.

Bohr y la teoría cuántica. Paul Strathern. Siglo XXI de España editores.

James Chadwick y el Neutrón

Universidad de Manchester – 1907

—Usted tendrá la oportunidad de tener un futuro brillante aquí, ¿conoce a Rutherford?

—Sí… sí, claro que lo conozco, es un gran científico.

—En el segundo año podrá disfrutar de algunas de sus clases magistrales y, si se aplica lo suficiente en sus estudios, podrá formar parte de sus experimentos. En esta universidad tenemos uno de los mejores laboratorios del país y tendrá todas las oportunidades que necesita. Señor Chadwick, aquí le espera un futuro brillante, espero poder verle por los pasillos en unos días.

—Pero… yo he venido a estudiar matemáticas —musitó el tímido Chadwick, aunque él era el único que permanecía en la habitación, dado que el profesor ya se había despedido con un cálido apretón de manos. James recogió su abrigo mientras pensaba en lo que le había dicho el profesor—. Quizás estoy equivocado, tendría grandes posibilidades aquí en Manchester estudiando física y siempre podría volver a las matemáticas.

A los 16 años de edad, Chadwick estaba dispuesto a iniciar su carrera universitaria como un brillante estudiante de matemática aplicada, pero el destino en forma de un profesor despistado lo llevó al mundo de la física. En Manchester, Chadwick tuvo sus primeros encuentros con Rutherford y conoció a Hans Geiger. También se interesó por los experimentos que Geiger y Marsden estaban llevando a cabo y que desembocaron en el descubrimiento del núcleo atómico. Una vez finalizada la carrera, Chadwick tenía una recomendación del propio Ernest Rutherford bajo el brazo y la intención de investigar sobre radiactividad. Su destino fue Berlín, donde lo esperaba Hans Geiger.

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Siempre se pasaban con el peine cuando hacían la foto oficial de la entrega del Nobel, pero la verdad es que a Chadwick lo sacan con planta de actor de cine negro.

Europa se encontraba en una situación convulsa y Chadwick fue llamado como oficial en la reserva del ejercito británico, pero decidió quedarse en Berlín. La Gran Guerra estalló y James no tuvo tiempo de salir de Alemania. La autoridades alemanas lo detuvieron acusándolo de espionaje y acabó junto a otras cinco personas en una cuadra. Fueron cuatro años en los que el frío y el hambre debilitaron su salud. Lee el resto de esta entrada

Rutherford: la radiactividad y el descubrimiento del núcleo atómico

Geiger y Marsden se acercaron al escritorio de Rutherford. Ern levantó la vista y les preguntó:

—¿Qué tal ha ido el experimento?

—Las partículas alfa están siendo desviadas por la lámina y hemos comprobado que 1 de cada 8000 partículas es rebotada, ¡es desviada con un ángulo mayor de 90º!

—Pero ¡eso es como si dispararas un obús contra una hoja de papel y rebotara!

Ernest Rutherford es conocido principalmente por el descubrimiento del núcleo atómico y por las grandes figuras de la física que estudiaron y trabajaron bajo su dirección. Pero estos hechos que bastarían para definir a una gran figura de la ciencia, solo fueron una parte de su carrera.

Cuando Ern abandonó Nueva Zelanda en 1895 rumbo a Inglaterra tenía 23 años, tres títulos universitarios bajo su brazo y una fama merecida en la experimentación con electricidad. Su primer destino fue el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y allí lo tomó bajo su tutela J.J. Thomson.

Curiosidades de la ciencia.

Thomson y Rutherford, electrón y núcleo. Thomson descubrió el electrón, como ya comentamos en este blog, y tomó bajo su tutela a un joven Rutherford. Pero Ern era un hombre inquieto y, en cuanto tuvo la oportunidad, emigró a Canada para obtener una plaza titular en la Universidad McGill de Montreal. No obstante, el descubrimiento del núcleo no se produjo hasta su regreso a Inglaterra, en concreto a la Universidad de Manchester. Lee el resto de esta entrada

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