De los cuantos (I)

En su tesis doctoral sobre la teoría electrónica de los metales (1911) Niels Bohr llegó a la conclusión de que los átomos construidos siguiendo los principios de la física clásica no podían explicar las propiedades magnéticas de los metales. Poco más tarde, mientras trabajaba en el laboratorio de Ernest Rutherford en Manchester inmediatamente después de que Rutherford y su equipo propusiesen el modelo nuclear del átomo, Bohr trabajaría en una teoría capaz de explicar su radical inestabilidad electro-mecánica. Ya había habido intentos de aplicar la hipótesis cuántica a los átomos, pero ninguno daba cuenta de la estabilidad que debían tener. Bohr propuso que se debía a que existían unos “estados estacionarios” definidos por unas reglas cuánticas pero que, por lo demás, el átomo de Rutherford obedecía las leyes físicas clásicas.

Sin embargo, las leyes de la mecánica no aplicaban para la transición entre dos estados estacionarios, momento en el que el átomo emitía o absorbía un cuanto de energía hν igual a la diferencia de energía entre ambos estados. Dicho de otra manera, en la hipótesis de Bohr la radiación no se emitía (o absorbía) de la manera continua que establece la electrodinámica de Maxwell-Lorentz.

Los postulados de Bohr, las reglas cuánticas que daban estabilidad al átomo, eran capaces de explicar las regularidades que se encontraban en el espectro del hidrógeno (fórmula experimental de Balmer) y también en el de iones monoelectrónicos, como el de helio He⁺ (1913-1914).

Mientras la Primera Guerra Mundial asolaba Europa, Arnold Sommerfeld generalizaba los postulados de Bohr a órbitas elípticas del electrón (las de Bohr eran circulares) y, posteriormente, a tres dimensiones (las órbitas de Bohr están en un plano). Sommerfeld fue capaz de esta manera de explicar los espectros con dobletes y tripletes, el efecto Zeeman y las regularidades en los espectros de rayos X. Todos estos resultados aparecieron en un libro que sería la referencia para todos los físicos interesados en los cuantos durante los años siguientes, Atombau und Spektrallinien (1919).

A comienzo de los años veinte Bohr dio una explicación fenomenológica de la tabla periódica basada en la ocupación de los electrones en órbitas regidas por la ley de Coulomb en los átomos multielectrónicos. Posteriormente muchos físicos trataron de justificar la explicación de Bohr pero, excepto por el principio de exclusión formulado por Wolfgang Pauli a comienzos de 1925, ninguno de estos esfuerzos produjo una base sólida y estable para la dinámica de los átomos. Todos estos trabajos tuvieron la virtud, sin embargo, de dejar claras cuáles eran las cuestiones que una nueva teoría de los cuantos tendría que resolver.

En 1917 Albert Einstein había dado un paso importante hacia esta nueva mecánica. Todavía enfrascado en la idea corpuscular de la radiación pasó a calcular la probabilidad de que un átomo emitiese radiación espontáneamente en la transición de un estado estacionario a otro, sentando las bases de una teoría cuántica de la radiación; lo que sería también el primer paso en el desarrollo del láser. En 1924, un artículo de Satyendra Nath Bose, traducido al alemán por Albert Einstein quien, además, publicó un comentario de apoyo al mismo, titulado “La ley de Planck y la hipótesis de los cuantos de luz”, derivaba fácilmente la ley de Planck a partir de nuevos principios estadísticos.

En 1923 los experimentos de Arthur Compton llevaron a la conclusión de que los rayos X actuaban como si fuesen partículas con energía hν y momento hν/c (donde c es la velocidad de la luz en el vacío). Este resultado llevó a Einstein a afirmar “…existen dos teorías de la luz, ambas indispensables, y…sin ninguna conexión lógica”. La teoría corpuscular explicaba las propiedades ópticas de los átomos mientras que la ondulatoria lo hacía de los efectos macroscópicos. A principios de los años veinte la confusión era total.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance