Si uno se encuentra en alguna parte que el universo está compuesto de cuatro elementos, automáticamente asume que el texto que lee, o la historia que cuenta el vídeo que ve o la narración que escucha, tienen que ver muy probablemente con la Grecia prearistotélica [nadie debería pensar en nada posterior porque todos sabemos que Aristóteles introdujo un quinto componente, el éter]. Y es que la teoría de las cuatro “raíces” (la palabra “elemento” es de Platón) es de Empédocles, que vivió en el siglo V antes de la era común.

Pero no, existe la posibilidad de que leas sobre cuatro elementos como constitutivos del universo y se te esté hablando de algo muy reciente, con apenas un siglo de antigüedad. En el año en el que conmemoramos el centenario de la publicación del modelo atómico de Bohr, quizás convenga recordar al que fuera su principal modelo rival y que influyó en el desarrollo del propio modelo de Bohr, uno que ya no aparece ni en la mayoría de los libros de historia, el modelo de John William Nicholson.

Nicholson no se sacó de la manga los cuatro elementos. Para que el modelo fuese creíble estos elementos no podían ser los tradicionales, tenían que tener una base científica sólida y eso es lo que vamos a ver antes de entrar en detalles sobre su modelo.

La línea amarilla

Durante el eclipse total de Sol que el astrónomo Jules Janssen observó desde Guntur (India) el 18 de agosto de 1868, éste anotó la existencia de una línea en la parte amarilla del espectro (muy cerquita de las del sodio) que no se correspondía con nada que el conociese y asumió que estaba relacionada con el sodio. En octubre de ese mismo año, Norman Lockyer estudiaba el espectro solar [sí, el fundador de Nature era astrónomo] y se dio cuenta de la existencia precisamente de esa misma línea amarilla. Locyer tenía una amplia formación como espectroscopista y con la ayuda del químico Edward Frankland pronto llegó a la conclusión de que esa línea amarilla no se correspondía con ningún elemento conocido. Locyer y Frankland bautizaron a su descubrimiento como “helio”. Luigi Palmieri localizaría el helio en la Tierra en 1882 y William Ramsay lo aislaría en 1895.

La línea verde

El éxito de Locyer y Frankland abrió el camino para “descubrimientos” similares. Así durante el eclipse total de Sol del 7 de agosto de 1869, Charles A. Young y William Harkness observaron una misteriosa línea verde en el espectro de la corona solar. Siguiendo la lógica empleada con el helio, como la línea verde no se correspondía con ningún elemento conocido, la conclusión fue que era un nuevo elemento llamado provisionalmente “coronio” (en los años 30 del siglo XX se demostró que la línea verde corresponde a una forma muy ionizada del hierro, Fe 13+).

Por mucho que los libros de relatividad nos cuenten que desde el experimento de Michelson-Morley de 1887 se había descartado la existencia del éter luminífero, lo cierto es que eso no es así en absoluto. Veinte años después físicos de primera línea seguían hablando del éter como si tal cosa, con la teoría especial de la relatividad publicada en 1905, recordemos. Por eso no es de extrañar que Dmitri Mendeleev, de fama periódica, en 1902 estuviese estudiando la posible composición química del éter. Mendeleev lanzó la hipótesis de que existían dos elementos químicos inertes de peso atómico menor que el del hidrógeno. De estos dos, el más ligero lo permearía y penetraría todo y el ligeramente más pesado sería el “coronio”. El nombre no le terminaba de convencer y lo renombró como “newtonio” [y por eso hoy día no existe el newtonio en la tabla].

Las líneas verdes de mi marido

Los espectros de objetos celestes que no son estrellas ni grupos de estrellas (galaxias) no son continuos, sino que son líneas aisladas, en general, muy intensas. Esta distinción la hizo William Huggins, que se dedicó a la observación espectral de dichos objetos. Huggins fue el primero en hacer un espectro de una nebulosa, en concreto NGC 6543 “Ojo de gato”, en 1864. En todas las empresas científicas de Huggins tomó parte muy activa Margaret Lindsay, su esposa, incorporando nuevas tecnologías a la astronomía espectral, como el uso de placas fotográficas y su vecino, el químico William Miller.

En la observación de “Ojo de gato” Huggins y Lindsay constataron la existencia de dos líneas verdes muy intensas. Estas líneas no se correspondían con ningún elemento. Tras el éxito del helio, sobre todo con la confirmación definitiva de su existencia por parte de Ramsay en 1895, todo era favorable para suponer que las dos líneas verdes de Huggins podrían corresponder a otro elemento. En una comunicación breve en 1898, Lindsay fue la primera en mencionar el nombre “nebulio” para referirse a las líneas verdes de su marido. En 1929 se demostraría que corresponden a un estado de doble ionización del oxígeno.

El modelo planetario de Nicholson

Nicholson nació en Darlington (Inglaterra) en 1881 y estudió en la Universidad de Manchester primero y en el Trinity College de Cambridge, después, especializándose en matemáticas y siendo el decimosegundo wrangler el año en el que Eddington fue senior (1904). Dio clases en el laboratorio Cavendish hasta 1912, año el que aceptó un puesto en en el King’s College de la Universidad de Londres. En 1921 se fue a Oxford y en 1922 se casó con Dorothy Wrinch. A finales de los años 20 se volvió mentalmente inestable y en 1930 ingresó en un manicomio. Moriría en 1955.

Nicholson empezó a idear su modelo atómico debido a su interés en el estudio espectroscópico de las estrellas en 1910. Su primer artículo sobre el tema apareció en 1911, pocos meses después de que Rutherford hubiese publicado su propio modelo con la introducción del concepto de núcleo atómico. El modelo de Nicholson también incluía una núcleo, pero era conceptualmente distinto al de Rutherford; de hecho usaba la palabra “núcleo” (aunque él no la inventase), cosa que no hacía Rutherford.

El átomo de Nicholson está mucho más próximo al modelo de Thomson, tanto en espíritu como en detalles de cálculo, y podría describirse como un átomo de Thomson pero con las dimensiones de la esfera positiva pasando del tamaño del propio átomo a ser mucho menor que el radio del electrón. El núcleo masivo y positivo central tendría un origen puramente electromagnético, de ahí que fuese mucho más pequeño que un electrón, y localizado en el centro del átomo con anillos (la misma palabra que usaría Bohr) de electrones girando a su alrededor.

La ambición de Nicholson con su modelo era mucho mayor que la de cualquier otro modelo existente en la época (incluido el de Bohr) y esto por una sencilla razón: pretendía ofrecer composiciones definidas de los elementos químicos. A diferencia de los modelos basados en datos obtenidos en laboratorio, el modelo de Nicholson se basaba en observaciones astronómicas. Nicholson afirmaba que los pesos atómicos de los elementos podían derivarse a partir de protoátomos que existían de forma libre sólo en los objetos celestes.

La teoría evolutiva de la materia terrestre

Y es que Nicholson era partidario de la teoría evolutiva de la materia terrestre. Esta teoría tenía defensores de peso, como William Crookes, o Lockyer y el propio Mendeleev, de los que hablábamos antes. Según esta hipótesis, la materia terrestre habría evolucionado a partir de formas más simples que aún existirían en las estrellas y nebulosas y que podían estudiarse mediante la espectroscopía. Basándose en los descubrimientos de ésta Nicholson proponía, como Empédocles, un modelo en el que en el universo existían cuatro elementos primarios que se suponía que se encontraban en las nebulosas y en la corona solar. Ideó símbolos para tres de ellos (enseguida vemos por qué para el coronio no), y cargas [e es la carga de un electrón] y pesos atómicos para los cuatro elementos, que eran los siguientes:

Coronio / – / 2e / 0,51282

“Hidrógeno” / H / 3e / 1,008

Nebulio / Nu / 4e / 1,6281

Protoflúor / Pf / 5e / 2,3615

Aunque el “hidrógeno de tres electrones” de Nicholson estaba muy relacionado con el elemento químico hidrógeno, para él los dos átomos no eran idénticos. Por razonamientos que ahora no vienen al caso Nicholson había llegado a la conclusión de que no podía existir un átomo con un solo electrón. Así que su átomo más simple, el coronio, consistía en un solo anillo con dos electrones rotando alrededor de un núcleo de carga +2e, y el hidrógeno terrestre sería una especie de polímero del “hidrógeno” primordial. Para terminar de complicar las cosas eligió H como símbolo de éste.

Según Nicholson, H, Nu y Pf eran los constituyentes de los elementos químicos, pero no así el coronio que sólo estaba en la corona solar, por esta razón no le asignó un símbolo. En su artículo de 1911 Nicholson derivó los pesos y composiciones de todos los elementos químicos. Algunos ejemplos sencillos (no usaba subíndices sino multiplicadores algebraicos):

He = NuPf

Li = 3Nu2H

Be = 3Pf2H

Los “éxitos” predictivos de Nicholson y la hipótesis cuántica

En este punto podríamos pensar que Nicholson estaba un poco loco y que esto no tiene sentido. Salvo que consideremos que una hipótesis debe valorarse por sus éxitos predictivos y entonces tendremos que recordar las limitaciones del razonamiento confirmatorio. Porque basándose en este modelo Nicholson pudo explicar bastantes cosas y predecir con éxito otras.

En la serie final de sus publicaciones sobre su modelo, Nicholson se centró en las líneas espectrales emitidas por los cuatro átomos elementales causadas según el por las vibraciones de los anillos de electrones. Su método general era calcular las frecuencias de la vibraciones de coronio, nebulio y protoflúor y comparar los resultados con las líneas sin asignar que aparecían en los espectros de la corona solar y de nebulosas. De esta forma fue capaz de explicar la mayor parte de las líneas, incluida la fórmula de Balmer (Bohr no fue el primero) y también predecir nuevas líneas en ambos tipos de espectros. Por ejemplo, en el caso del nebulio predijo la existencia de una línea de longitud de onda 4353 Å, que se encontró poco después en el espectro de una nebulosa. También dijo que la línea de 6374,8 Å debería encontrarse porque pertenecía al protoflúor, lo que encajó estupendamente con el descubrimiento de la línea de 6374,6 Å en el espectro de la corona solar. Ni que decir tiene que Nicholson se tomó estos hallazgos como plena confirmación de su hipótesis.

Un aspecto muy interesante del trabajo de Nicholson es que, con objeto de explicar las líneas espectrales y determinar las dimensiones de los átomos elementales, Nicholson introdujo la constante de Planck en su teoría de la forma en que Arnold Sommerfeld había explicado que debía hacerse durante la conferencia Solvay de 1911 (la misma forma en que la usaría Bohr en su artículo de 1913). Hasta ese momento h se había asociado sólo con la energía, pero Nicholson fue un paso más allá y en 1912 argumentó que estaba asociada con el momento angular. Llegó a conclusión de que el momento angular sólo podía alcanzar valores múltiplos de h/2π, es decir, que el momento angular estaba cuantizado.

No es de extrañar que Bohr, cuando se encontró la teoría atómica de Nicholson la encontrase tan interesante como endiabladamente parecida a sus ideas. Aunque hoy esté olvidada, y sólo algunos historiadores se acuerden de ella, en el período 1913-1915 el átomo de Nicholson fue un rival formidable para el de Bohr y Nicholson, el Empédocles cuántico, el principal crítico de las ideas de Bohr.

Este post ha sido realizado por César Tomé López y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.