Las limitaciones del modelo de Bohr

Experientia docet Átomos Artículo 30 de 31

Foto: Jeremy Perkins / Unsplash

El modelo de Bohr se encontró con críticas fundamentadas graves antes incluso de hacerse público. En marzo de 1913 Bohr escribió a su mentor Rutherford adjuntando un borrador de su primer artículo sobre el modelo cuántico de la constitución atómica. Rutherford respondió en una carta, cuyo comienzo recogemos aquí [1][2]:

Estimado Dr. Bohr:

Recibí su trabajo y lo leí con gran interés, pero quiero volver a revisarlo cuidadosamente cuando tenga más tiempo libre. Sus ideas sobre la forma en la que se originan los espectros en el hidrógeno son muy ingeniosas y parecen funcionar bien; pero la mezcla de las ideas de Planck con la vieja mecánica hace que sea muy difícil formar una idea física de cuál es la base. Me parece una grave dificultad en su hipótesis, de la que no tengo dudas de que se da cuenta plenamente, a saber, ¿cómo decide un electrón a qué frecuencia va a vibrar cuando pasa de un estado estacionario a otro? Me parece que tendría que asumir que el electrón sabe de antemano dónde se detendrá. . . .

Con todo, el modelo de Bohr logró grandes éxitos entre 1913 y 1924. Pero también contenía preguntas sin respuesta y problemas no resueltos, como Rutherford había observado inmediatamente. Con el paso del tiempo surgieron problemas adicionales para los que el modelo resultaba claramente inadecuado. Los tres quizás más significativos eran los siguientes:

1.- El modelo de Bohr explicaba muy bien los espectros de los átomos con un solo electrón en la capa más externa. Sin embargo, aparecieron serias diferencias entre el modelo y el experimento en los espectros de los átomos con dos o más electrones en la capa más externa.

2.- Los experimentos también pusieron de manifiesto que cuando una muestra de un elemento se coloca en un campo eléctrico o magnético su espectro de emisión muestra líneas adicionales. Por ejemplo, en un campo magnético cada línea se divide en varias líneas. El modelo de Bohr no pudo explicar, de manera cuantitativa, algunas de las divisiones observadas.

3.- Además, el modelo no proporcionaba explicación alguna para el brillo relativo (intensidad) de las líneas espectrales. Estas intensidades relativas dependen de las probabilidades con las que los átomos en una muestra experimentan transiciones entre los estados estacionarios; altas probabilidades se traducen en líneas más intensas. Se debería poder calcular la probabilidad de una transición de un estado estacionario a otro, pero el modelo de Bohr no permitía hacerlo.

A principios de años veinte estaba claro que el modelo de Bohr, a pesar de sus notables éxitos, estaba muy limitado. Para crear un modelo que resolviese más problemas el modelo de Bohr tendría que ser o revisado en profundidad o completamente reemplazado [3]. Pero los éxitos de el modelo de Bohr hacían necesario que cualquier nuevo modelo de la estructura atómica aún tendría que explicar la existencia de estados estacionarios. Por lo tanto, un nuevo modelo tendría que basarse en conceptos cuánticos [4].

Notas:

[1] Traducción propia

[2] Original:

Dear Dr. Bohr:

I have received your paper and read it with great interest, but I want to look it over again carefully when I have more leisure. Your ideas as to the mode of origin of spectra in hydrogen are very ingenious and seem to work out well; but the mixture of Planck’s ideas with the old mechanics make it very difficult to form a physical idea of what is the basis of it. There appears to me one grave difficulty in your hypothesis, which I have no doubt you fully realize, namely, how does an electron decide what frequency it is going to vibrate at when it passes from one stationary state to the other? It seems to me that you would have to assume that the electron knows beforehand where it is going to stop. . . .

[3] Un recordatorio de que un objetivo principal de la ciencia hoy es preparar el terreno para una ciencia mejor mañana. Véase Provisional y perfectible.

[4] Un recordatorio de que los nuevas modelos tienden a evolucionar incorporando lo que era bueno en los antiguos. Desde este punto de vista la ciencia es más conservadora que revolucionaria. Esto está íntimamente relacionado con la incapacidad de diseñar experimentos cruciales. Véase a este respecto El experimento crucial que nunca existió o, en general, los artículos de la serie sobre La tesis de Duhem-Quine.

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

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