En el episodio de hoy, hablamos de otro padre de la física cuántica. El que colocó los electrones a dar vueltas ahí en torno al núcleo, en plan, venga, fiesta, alegría. Todo el día dando vueltas.
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a Intro

Jairo: ¿20 metros de cuerda?

Karaka: Preparada

Jairo: ¿Barómetro?

Karaka: Calibrado

Jairo: ¿Edificio alto?

Karaka: El más alto que hay en la ciudad.

Jairo: ¿Gafas de seguridad?

Karaka: Puestas y ajustadas.

Alfonso: Llevo dos horas buscandoos y os encuentro en lo alto de la azotea… ¿Qué leches hacéis?

Jairo: Vamos a hacer un experimento científico. Queremos medir la altura del edificio con el barómetro.

Alfonso: Anda mira, como Bohr, con diferencia de presiones… Estoy hasta orgulloso. ¿Pero y la cuerda?

Karaka: Sabemos lo que mide la cuerda, atamos el barómetro en un extremo para que haga de peso y lo lanzamos fachada abajo hasta que llegue al suelo y medimos cuánta cuerda hemos usado.

Alfonso: Yo creo que os sobra el barómetro para eso… Podíais usar una piedra… O mirarlo en el registro civíl… O incluso…

Jairo: ¡Aparta Alfonso que tiro la cuerda!

Karaka: Pero Jairo que no tenía el otro extremo agarrado

**Sonido de crash, tráfico, cláxones tipo como si le hubiera caído algo a un coche y se hubiera liado**

Jairo: Esto… ¿Vamos a poner la intro?

Karaka: Voy… Voy…

Alfonso: Mi barómetro…

Cabecera

Desde que el ser humano tiene memoria, siempre ha mirado al cielo. Estrellas, planetas,  constelaciones y demás movidas del inmenso, insondable, oscuro, aterrador, insultantemente largo a lo ancho y ancho a lo largo, caótico por naturaleza y nada acogedor espacio. Pero… ¿conoces el origen de sus historias? Empieza Astro.

Historia

Entre todas las grandes mentes que revolucionaron la física en el siglo XX, no podemos obviar la increíble contribución de Niels Bohr. Nacido un 7 de octubre de 1885 en la fría pero encantadora Copenhague, tuvo la suerte de crecer en un ambiente acomodado, gracias al trabajo de su padre como catedrático de Biología. Desde pequeño, mostró una mente despierta muy apta para la física. Esto es normal cuando tienes un laboratorio a cargo de tu padre y encima te dejan jugar desde pequeño con los viales.  Su capacidad para la física sería reconocida en 1922, tras ganar el Nobel de Física. Pero no adelantemos acontecimientos… Vayamos por partes.

Niels Bohr se crió en el seno de una familia adinerada e intelectual. Su hermana mayor llegó a ser profesora de instituto, mientras que su hermano pequeño se convirtió en un matemático destacado. A su entrada en la Universidad de Copenhague en 1903, Bohr se enfocó en estudiar física, astronomía y filosofía, y no tardó mucho en destacar como una de las mentes más brillantes del lugar… Bueno y de su generación.

A los dos años de su entrada, la academia real de Ciencias y letras de Dinamarca organizó una competición científica: resolver un problema de tensión superficial planteado en 1879. Con 20 años y utilizando el laboratorio de su padre, que era más avanzado que el de la propia universidad, resolvió el problema y mejoró la teoría existente al incorporar la viscosidad del agua en los cálculos. Su trabajo, entregado en el último momento, ganó el premio. Para que luego digan que apurar los plazos no sirve.

En 1911, Niels Bohr presentó su tesis doctoral en física. Su investigación se centró en las consecuencias de que los electrones viajen libremente por el interior de un cuerpo metálico. Una expansión del conocimiento que se consideró revolucionaria… Bueno, lo hubiera sido si algún otro científico del momento supiese leer danés. Aunque una vez traducido, su impacto fue innegable.

Esta tesis sirvió a Bohr como trampolín en su carrera y le abrió nuevos horizontes, trasladándose a Cambridge a trabajar bajo la dirección de Joseph Thomson, descubridor del electrón y uno de los gigantes de la física de la época. Sin embargo, la falta de interés que demostraba Thomson ante su trabajo resultó en una nueva mudanza para Bohr. Se desplazó hacia el noroeste del país, hacia Manchester, donde comenzó una estrecha relación de amistad y colaboración con Ernest Rutherford. No solo compartió trabajo con él, sino que forjó una estrecha amistad gracias a sus colaboraciones que serían clave en el desarrollo de sus ideas sobre la estructura del átomo.

Veréis, Rutherford acaba de presentar el primer modelo atómico moderno: un núcleo con carga positiva y una gran cantidad de electrones con carga negativa orbitando alrededor. Bohr revisó este trabajo y presentó su propio modelo atómico de la materia, introduciendo un cambio clave: los electrones no orbitaban de forma continua como proponía Rutherford, sino que lo hacían en niveles de energía definidos. Esto añadió un gran escalón en la carrera de la física cuántica.

Esta propuesta fue la que le otorgó el Premio Nobel de Física en 1922. Con tan sólo 37 años, Bohr, ya había ganado el mayor reconocimiento que puede alcanzar un físico. Pero su trabajo estaba lejos de completarse. Sus investigaciones siguieron adelante, mejorando el conocimiento cuántico de la materia y colaborando con las grandes mentes del momento: Schrödinger, Dirac, Heisenberg, Einstein… Podríamos continuar la lista hasta incluir a todos los grandes padres de la física del siglo 20.

La ocupación alemana de Dinamarca marcó un antes y un después en su vida. La presión ejercida por los amigos del señor bajito con bigote, junto con su condición de judío, lo obligó a huir para salvar su vida. De Copenhage viajó a Suecia, y posteriormente, emigró a Estados Unidos. El gobierno norteamericano lo incorporó en “El Proyecto Manhattan”, el plan de construcción de la bomba atómica dirigido por Robert Oppenheimer.

Su papel fue clave dentro del desarrollo de la bomba. Sin embargo, tras presenciar la primera explosión, se negó a continuar en el proyecto, manifestando su profundo temor por el impacto que tendría en el futuro de la humanidad si se llegaba a construir una segunda bomba. En lugar de seguir involucrado en el desarrollo armamentístico, regresó a su Dinamarca natal. Allí asumió el mando del Instituto Nórdico de Física Teórica y se volcó en una nueva etapa de su vida como divulgador y conferenciante cuyo objetivo era concienciar sobre el uso de la energía atómica para fines pacíficos… Algo parecido a lo que sucedió con Einstein y Oppenheimer.

Modelo atómico

Hoy en día tenemos bastante claro de qué está compuesta la materia: átomos, que a su vez se dividen en protones, neutrones y electrones. Sin embargo, antes del descubrimiento del electrón a manos de Thomson, la materia estaba hecha de… materia. Algo sólido, indefinido, sin partes reconocibles... El modelo atómico de Rutherford fue el primero que realmente intentó describir cómo estaba organizada la materia. Era un modelo sencillo: una gran pelota en el centro de carga positiva, con muchas pelotitas de carga negativa girando alrededor. Para que te hagas una idea, imagina un ovillo de lana. Cada hilo en la parte externa que da vueltas al ovillo, correspondería a la trayectoria de un electrón y en su centro estaría concentrada toda la carga positiva del átomo.

Este modelo es considerado el inicio de la física nuclear. El núcleo concentra la masa y la carga positiva del átomo. A día de hoy, sabemos que los protones y neutrones del núcleo se mantienen unidos gracias a la fuerza nuclear fuerte, desconocida en el momento de la publicación del modelo. Sin embargo, el modelo no era perfecto. Según las leyes de la física y el planteamiento propuesto por Rutherford, debía ser inestable: los electrones, al girar en órbitas alrededor del núcleo, perderían energía en forma de radiación y terminarían colapsando sobre el núcleo.

Bohr partió del modelo de Rutherford y lo mejoró. Con la ayuda de los descubrimientos de Max Planck, introdujo un enfoque cuántico: la energía se presentaba en paquetes discretos y no de forma continua. Además, la explicación del efecto fotoeléctrico propuesta por Albert Einstein le indicó como ordenar los electrones, y cómo relacionar su patrón de emisión con… A ver, estamos corriendo muy rápido. Vayamos despacito.

Empecemos por el núcleo del átomo. Imagina un conjunto de pequeñas partículas con forma de pelotitas con carga positiva, los protones. Además, están con un conjunto de pelotitas del mismo tamaño y peso, pero que no tienen carga, los neutrones. Los neutrones se descubrieron unos 20 años después del modelo de Bohr, pero para simplificar la explicación vamos a incluirlos. Este conjunto de partículas va a ser el centro de nuestro átomo. El sol de nuestro sistema atómico en torno al cual orbitan los pequeños electrones.

Supongamos que hemos hecho este núcleo de aproximadamente un 1cm de grosor. El tamaño real de los núcleos atómicos suele ser de unos 10 elevado a -14 m. Ahora, nos alejamos un poquito de él. ¿Cuánto de poquito? Pues exactamente, exactamente… vamos a decir que, agárrate, 1 kilómetro si mantenemos la escala. Aquí vamos a poner nuestro primer electrón, en el primer orbital. Este comenzaría a dar vueltas en torno al núcleo. Sin embargo, estos electrones no son como los planetas y puede haber un electrón más a la misma distancia si estos se coordina bien. Si hemos pintado un electrón dando vueltas en plano horizontal, ahora podríamos poner uno dando vueltas en vertical. Misma distancia, simplemente girado 90 grados. Gracias a esto, ahora tenemos dos electrones dando vueltas en torno a nuestro núcleo. Sin embargo, no podemos añadir más electrones: el radio de esta órbita es tan tan pequeño que se molestan entre sí.

Como este primer orbital está lleno, pasamos a dibujar otro círculo más lejos del núcleo: el segundo orbital. Pero cuidado, no está al doble de la distancia del primero. En el modelo de Bohr, las órbitas están organizadas según niveles de energía, y la distancia del segundo orbital es proporcional al cuadrado del número de nivel. Esto significa que el segundo orbital estará aproximadamente 4 veces más lejos que el primero, es decir, a 4 km si seguimos nuestra escala.

Esta es una de las grandes novedades del modelo de Bohr: los electrones no pueden estar a cualquier distancia del núcleo. Las órbitas están cuantificadas, es decir, solo pueden situarse a ciertas distancias definidas por las leyes de la mecánica cuántica.

A la distancia de este segundo orbital podemos poner más electrones a girar, aunque hay un límite, porque si añadimos demasiados, se empiezan a estorbar entre ellos. El número total de electrones es igual al número de protones que tenga el núcleo, ya que todos los átomos tienen carga neutra por defecto. Sin embargo, a diferencia de los planetas, los electrones que giran en torno a un núcleo pueden saltar de órbita. Literalmente pueden dar un salto para pasar a un orbital próximo. ¿Y de dónde sacan esta energía, os preguntaréis? Bueno, pues aquí es donde entra el efecto fotoeléctrico.

Cuando un rayo de luz incide sobre una plancha de metal, al metal se le escapan electrones. Y hasta que llegó Einstein, nadie tenía muy claro el porqué de este fenómeno. Einstein vio que los electrones salían con una velocidad que dependía de la frecuencia de la luz incidente. A más frecuencia, es decir, más cerca del ultravioleta, más rápido sale disparado el electrón. Sin embargo, los electrones no salían con toda esa energía absorbida, había una parte que se perdía. Y se perdía exactamente en múltiplos de la energía de Planck. Pero, ¿dónde se perdía?

Esta fue la genialidad de Bohr. Se dio cuenta de que esa cantidad de energía que Einstein no encontraba no se desvanecía, sino que se utilizaba para arrancar a los electrones de su órbita. Como si empujas una canica para subir o bajar escalones. Igual que la canica no puede estar a medias entre dos escalones, un electrón no puede estar a medias entre dos orbitales. Cuando el electrón del último orbital tiene suficiente energía acumulada, saldrá despedido. Como si se lanzase con un muelle desde las escaleras. En el lugar que antes ocupaba ese electrón, se quedará el fotón que incidió inicialmente provocando esa salida.

Este nuevo modelo fue clave para unificar los descubrimientos en física cuántica y nuclear del momento. Daba una detallada solución a cuestiones que no tenían explicación detallada. Y, lo mejor de todo, lo hacía utilizando unas leyes distintas a la física tradicional. Bohr se basaba en que la energía sólo podía existir en múltiplos relacionados con la constante de Planck. En grupos de paquetitos de un valor constante. Planck es el padre de la cuántica, pero Bohr fue el primero que realmente explicó qué significaba eso de ser cuántico.

Cierre

Aunque el modelo de Bohr fue imprescindible en el entendimiento de la física nuclear… lo cierto es que no cuenta toda la película. Este modelo asumía algo que a la física cuántica no le sienta nada bien: estaba seguro de la posición y la velocidad de los electrones. a física cuántica odia saber dónde están sus cosas, le gusta hablar de probabilidades y principios de incertidumbre. Pero esas movidas… las dejamos para otro episodio.

Volveremos más adelante a revisitar este modelo cuando hablemos de Heisenberg y su amigo Schröndiger.. Y por supuesto de su gato. Por el momento, queremos dar las gracias a Noelia Freire por su gran artículo en National Geographic. Y queremos dar las gracias al inventor de las gachas, que están muy ricas.

Y por supuesto, queremos darte las gracias por escucharnos un episodio más. Y por suscribirte, y hablar de nosotros a familiares, amigos, compañeros… Y a hasta a tu gato.

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¡Nos vemos en el siguiente episodio con más movidas del espacio!

¡Astro la vista!