Nuevo repaso a la teoría cuántica de Bohr

El modelo atómico de Bohr supuso toda una revolución cuando se presentó en 1913 pero, aunque todavía se siga enseñando en las escuelas, hace décadas que quedó obsoleto. Sin embargo, su autor también desarrolló una teoría cuántica mucho más amplia y desconocida, cuyos principios fueron cambiando con el tiempo. Investigadores de la Universidad de Barcelona han analizado ahora la evolución del pensamiento del físico danés, todo un ejemplo de cómo se van forjando las teorías científicas.

Niels Bohr y Paul Ehrenfest (con su hijo) en la estación de tren de Leiden (Holanda) en 1926. / Imagen: Courtesy of the Niels Bohr Archive, Copenhagen

En la mayoría de los colegios y los institutos se sigue enseñando el modelo del átomo, donde los electrones orbitan alrededor del núcleo como los planetas alrededor del Sol. Lo propuso hace más de un siglo el físico danés Niels Bohr a partir del primer modelo de Rutherford, los principios de la mecánica clásica y las incipientes ideas sobre ‘cuantización’ (ecuaciones para aplicar las iniciales hipótesis cuánticas a los sistemas físicos clásicos) aportadas por Max Planck y Albert Einstein.

“Bohr publicó su modelo en 1913, y aunque fue revolucionario, se trataba de una propuesta que no acababa de explicar bien diversos resultados experimentales, así que entre 1918 y 1923 estableció una teoría mucho más amplia y bien fundamentada que incorporaba su modelo anterior”, explica a Sinc Blai Pié i Valls, físico de la Universidad de Barcelona.

La llamada teoría cuántica de Bohr planteaba que el electrón da vueltas al núcleo siguiendo las leyes clásicas pero sometido a limitaciones, como las órbitas que puede ocupar y la energía que pierde en forma de radiación cuando salta de una órbita a otra. Pero, además, trataba de explicar de manera unificada todos los fenómenos cuánticos observados hasta el momento.

“Esta teoría reposaba sobre dos pilares fundamentales: el principio adiabático, un método para encontrar estados cuánticos posibles dentro del átomo; y el principio de correspondencia, que conecta la electrodinámica clásica con la nueva teoría cuántica que se forjaba en aquellos momentos”, indica Pié i Valls, que junto al profesor Enric Pérez publica sus análisis históricos sobre este tema en la revista Annalen der Physik.

Los autores han estudiado el uso que Bohr dio a la hipótesis adiabática desde que el físico austríaco Paul Ehrenfest la enunció en 1911 hasta que su colega danés la eleva a ‘principio’ y la desarrolla para sacarle el máximo provecho. También han detectado las influencias mutuas que hubo entre Bohr y el físico alemán Arnold Sommerfeld, que aportó su propia formulación de la ‘cuantificación’ e influyó significativamente en el desarrollo de la teoría cuántica antigua, el marco en el que se movieron todos aquellos estudios previos al nacimiento de la mecánica cuántica en 1925.

La importancia de los principios cambia con el tiempo

“Uno de los cambios más relevantes que hemos encontrado es la inversión de la importancia de los dos principios fundamentales –señala Pié i Valls–. En 1918 el protagonismo del adiabático eclipsaba casi por completo al de correspondencia en la teoría de Bohr, y no hay que olvidarlo, pero a lo largo de los años pasó a un segundo plano, mientras que el de correspondencia ganaba relevancia e incorporaba nuevas y útiles aplicaciones de cálculo. Con la instauración de la mecánica cuántica, el principio de correspondencia mantuvo un protagonismo que llega hasta nuestros días”.

Los autores se lamentan de que la teoría cuántica de Bohr sea mucho menos conocida que su modelo atómico, “obsoleto desde 1925, pero que todavía se explica hoy en los colegios por su importante valor pedagógico y por puro pragmatismo: no se puede enseñar a ciertos niveles una teoría tan compleja como la mecánica cuántica”.

Esta situación, sin embargo, ha derivado en que el público general tenga la idea equivocada de que el modelo de Bohr sigue aún vigente, cuando la visión moderna del átomo se rige en realidad por las leyes de la mecánica cuántica, de carácter probabilístico, que obligan a imaginar el electrón de forma deslocalizada, como una "nube de probabilidad" alrededor del núcleo atómico.

Referencia bibliográfica:

Blai Pié i Valls y Enric Pérez. “The historical role of the Adiabatic Principle in Bohr's quantum theory”. Annalen der Physik 528(7-8): 530-534, 2016.

Fuente: SINC