Tres modelos atómicos de los que no has oído hablar

Experientia docet

En 2013 se cumplió el centenario del modelo atómico de Bohr. Es el que todavía hoy, a pesar de ser incompatible con principios básicos de la física cuántica, como el de incertidumbre, se sigue explicando para introducir a los estudiantes en el mundo cuántico. Curiosamente, en los libros de texto tan sólo se mencionan dos modelos atómicos anteriores al de Bohr: el de Thomson y el de Rutherford. Parece como si los átmos modernos apareciesen con Dalton en 1804 y lo siguiente fuese el modelo de Thomson.

Leyendo la descripción habitual, a saber,

modelo de Dalton => descubrimiento del electrón => modelo de Thomson => experimentos de Geiger y Marsden => modelo de Rutherford => física cuántica v 1.0 => modelo de Bohr

a uno le queda la sensación de que el desarrollo del modelo de Bohr es algo lineal y que todo se deduce de lo anterior de manera lógica, sólo con esperar el experimento crucial o la idea genial adecuada. Y esto no es así. Para ilustrarlo vamos a conocer solo tres de los modelos atómicos clásicos sugeridos antes del modelo de Bohr.

Cada uno tiene su lógica y su fundamento; todos o bien pasaron desapercibidos o tuvieron vidas breves, habida cuenta de la rapidez con la que descubrían nuevas leyes y se realizaban más experimentos.

Imagen: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

Las mónadas físicas de Lomonósov

Empecemos por el principio. Se suele recoger en los libros de texto que la teoría atómica moderna empieza con John Dalton. Y a efectos prácticos, efectivamente es así, porque fueron sus ideas las que se propagaron por la comunidad científica y fructificaron casi 80 años después de haber sido formuladas, eso sí. Pero la primera teoría atómica moderna no se formuló ni en Inglaterra ni en Francia, sino en Rusia 60 años antes de que lo hiciese Dalton.

Su autor fue Fue Mijail Vasílievich Lomonósov quien escribió una serie de artículos entre 1743 y 1744, el primero de los cuales deja claro su visión atomista de la materia ya en el título: “Sobre las partículas físicas intangibles que constituyen las sustancias naturales”. A este artículo le seguiría otro sobre lo que hoy entendemos como enlace químico “Sobre la adhesión de los corpúsculos”. En el tercero de la serie, ante la necesidad de referirse a las partículas o corpúsculos de materia de una manera diferenciada, aparece el nombre elegido: “Sobre la adhesión y la posición de las mónadas físicas”. Lomonósov obviamente había leído a Leibniz, y le tomó prestada la palabra mónada con el apellido física para diferenciarla.

Las mónadas de Lomonósov tenían forma, peso y volumen y las empleó para explicar la naturaleza del calor y la elasticidad de los gases en función del movimiento de partículas, anticipando la teoría cinética de los gases de Krönig de 1856 en ciento once años, y descartando la existencia del flogisto 30 años antes que Lavoisier. Nadie le hizo caso en Occidente (salvo Euler).

El oscilador electrónico de Lorentz

En muchos textos se suele citar a J.J. Thomson como descubridor del electrón. Y es cierto, sus experimentos de 1897 con Townsend y Wilson no dejan lugar a dudas, el fue el descubridor experimental. Sin embargo, la teoría electrónica venía dando sus frutos ya desde 1892. En esa fecha Hendrik Lorentz comenzaba una serie de artículos en los que utilizando un átomo ideal pudo explicar una propiedad de la materia tras otra: la conducción de la electricidad o del calor, el comportamiento dieléctrico, la reflexión y la refracción de la luz, etc. Para ello en su modelo atómico sólo necesitó cuatro ecuaciones que gobernaban cómo responden los campos eléctricos y magnéticos a la carga eléctrica y su movimiento, y una adicional que especificaba la fuerza que esos campos ejercen sobre la carga. Este conjunto de ecuaciones se conocen por el nombre de su autor, Maxwell.

Y, ¿en qué consistía el modelo atómico de Lorentz? Pues en algo muy simple: el átomo sería una masa dada, llamémosla núcleo, aunque no tenemos que postular que tenga carga alguna, unida a otra menor (el electrón) por un muelle (suena raro, pero es solo para que te hagas una imagen). El muelle se pondría en movimiento cuando un campo eléctrico interactuase con la carga del electrón. El campo atrae o repele al electrón lo que resulta en que el muelle se estira o comprime.

Lorentz, como es lógico, no suponía que hubiese ningún muelle físico conectando electrón y núcleo; sin embargo sí postuló que la fuerza que unía a los dos podría ser descrita por la ley de Hooke, que es la misma que describe a los muelles (y a los dinamómetros). Una aproximación que es válida hasta en algunas consideraciones de la mecánica cuántica.

Por cierto, la conferencia que Lorentz dio cuando recibió el Nobel de física en 1902 iba sobre, efectivamente, la teoría del electrón, aunque el premio se lo hubiesen dado con Zeeman por la explicación de los efectos del magnetismo sobre la radiación.

El modelo planetario de Nagaoka

Tras el descubrimiento experimental del electrón era lógico pensar que la existencia de átomos neutros implicaba la existencia de una parte positiva en ellos. En 1904 Thomson propuso el modelo del pudin de pasas, esto es, que el átomo era una esfera de electricidad positiva uniforme con los electrones incrustados como las pasas en el pudin.

Hantaro Nagaoka consideró el modelo de Thomson inviable en cuanto terminó de leer el artículo en el que se lo describía: las cargas opuestas eran impenetrables desde su punto de vista. Él propuso un modelo alternativo ese mismo año en el que el centro cargado positivamente es muy masivo y está rodeado por electrones que lo orbitan a una distancia y unidos a él por fuerzas electrostáticas. En su mente estaban Saturno y sus anillos.

Los experimentos de Geiger y Marsden de 1909 con el pan de oro dieron una primera confirmación experimental al modelo de Nagaoka. En el artículo de 1911 en el que Rutherford presentaría su famoso modelo en el que se propone la existencia del núcleo atómico cita a Nagaoka. Pero en 1908 el propio Nagaoka había renunciado a su modelo al darse cuenta de que los anillos se repelerían entre sí, haciendo el modelo inestable.

Basten estos tres ejemplos para ilustrar lo que decíamos al principio, que el desarrollo de la ciencia no es tan lineal como los libros de texto nos hacen creer. Hay algunos modelos interesantes más, algunos de ellos cuánticos, que preceden al de Bohr. Sobre algunos de ellos hablé aquí: Bohr no fue el primero.

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

Esta una versión revisada de este texto publicado en Naukas.

1 comentario

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