Niels Bohr - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Niels Bohr



La Era Atómica de la mano de Bohr

Niels Bohr nacía en Copenhague (Dinamarca) el 7 de Octubre de 1885. Como vemos en muchos otros científicos, el ambiente familiar de Bohr propició el desarrollo de un brillante intelecto. Hijo de Christian Bohr, eminente Catedrático de Fisiología de la Universidad de Copenhague conocido por sus estudios sobre los aspectos químicos y físicos de la respiración, creció en un hogar donde se respiraba un estimulante interés científico. Su hermano menor Harald se convertía años después en Catedrático de Matemáticas.

En 1903 iniciaba sus estudios en la Universidad de su ciudad natal, donde ya destacó por su brillante. Se doctoró en 1911 con una tesis sobre la teoría electrónica de los metales que destacaba la incapacidad de la física clásica para tratar el comportamiento de la materia a nivel atómico. Ese mismo año marchó a Inglaterra a estudiar con Sir J.J. Thomson. Aunque tenía la intención de permanecer en Cambridge, la falta de entendimiento con Thomson lo impidió. Tras un encuentro con Ernest Rutherford, se traslada a Manchester a trabajar con este gran científico en la estructura del átomo. Rutherfod se convirtió en su modelo de referencia, tanto por sus cualidades personales como científicas.

El modelo de átomo establecido por Rutherford consistía en una estructura planetaria con un núcleo compacto central, cargado positivamente, rodeado por un enjambre de electrones más ligeros con carga negativa y describiendo órbitas circulares. La suma de las cargas de los electrones es igual en magnitud a la carga del núcleo, por lo que el estado eléctrico normal del átomo era neutro. En base a lo que establecían los supuestos de la Física clásica, toda partícula acelerada emitía energía en forma de radiación electromagnética, por lo que el electrón perdería energía de forma continua y daría lugar a espectros de emisión continuos, lo cual contradecía las observaciones experimentales. Además esa pérdida de energía provocaría que los electrones acabasen precipitándose contra el núcleo. Bohr se enfrentó a este problema de la inestabilidad del modelo atómico de Rutherford, tomando prestadas las ideas cuánticas establecidas por Planck y Einstein. Propuso que un átomo podía existir sólo en una serie de estados de energía, sugiriendo que el momento angular orbital del electrón en movimiento alrededor del núcleo sólo puede adoptar múltiplos de cierto valor, esto es, que dicho valor está 'cuantizado'. Dedujo así que toda reacción del átomo conducente a un cambio de energía implicaba un salto completo entre dos estados cuánticos estacionarios. La radiación, en consecuencia, sólo se emite o se absorbe cuando un electrón salta de una órbita permitida a otra. Basándose en esto calculó, en 1913, los espectros de emisión y absorción esperables del átomo de hidrógeno. Los espectros de rayas observados por Rydberg y Balmer coincidían con los cálculos de Bohr. Su teoría de la estructura atómica, publicada en una memoria entre 1913 y 1915, le hizo merecedor de ser galardonado con el premio Nobel de Física de 1922, un año después que Albert Einstein.

La nueva teoría permitió, con ayuda de los datos espectroscópicos, realizar poco a poco una clasificación sistemática de los modos de enlace estacionarios de todos los electrones en los átomos, 'ofreciendo una explicación completa de las notables relaciones entre las propiedades físicas y químicas de los elementos, expresadas en la famosa tabla de Mendelejew', explicaba años después el propio Bohr.

En 1916 fue destinado a una cátedra en la Universidad de Copenhague. Un Instituto de Física Teórica era creado para él en su ciudad natal y, tras su apertura en 1921, fue su director durante el resto de su vida. Este Instituto se convirtió en centro focal de atención de toda una generación de físicos teóricos que cooperaron, desde los puntos más diversos del planeta, al desarrollo de la teoría cuántica.

El modelo atómico de Bohr proporcionó un buen "ajuste" con los espectros observados, pero sólo para los átomos más simples (hidrógeno y helio), razón por la cual sufrió sucesivas modificaciones. Sin embargo, el núcleo de su teoría se convirtió en una pieza clave de la física y la química contemporáneas.

Otras contribuciones importantes de este científico, junto a la teoría cuántica, fueron su descripción teórica de la tabla de elementos alrededor de 1920, su teoría del núcleo atómico como estructura compuesta por protones y electrones en 1936, y su comprensión de la fisión del uranio en 1939.

Su aportación a la física se completaba con el enunciado de dos principios fundamentales: el principio de correspondencia y el de complementariedad. El Principio de correspondencia afirma que una nueva teoría física debe explicar todos los fenómenos explicados por la teoría a la que sustituye y fue empleado inicialmente para describir la relación entre la teoría cuántica y la física clásica. El Principio de la complementariedad, enunciado en 1927, postula la imposibilidad de una separación rígida entre los objetos atómicos y los instrumentos de medida utilizados para conocer su comportamiento, y se convirtió en pieza clave de su teoría. En base a este principio trata de establecer la relación entre dos fenómenos observados en condiciones experimentales diferentes, destacando que sólo considerados en conjunto "completan la totalidad de las informaciones definidas que es posible tener sobre los objetos atómicos", pues aportan aspectos igualmente esenciales. El concepto de complementariedad fue extendido a campos como la diversidad de culturas o la relación entre el instinto y la razón en el comportamiento.

Ciencia y Paz

Considerado por muchos el segundo mejor científico del siglo después de Einstein, Bohr es sin duda una figura esencial en el desarrollo de la física de átomos y moléculas. El propio Einstein reconocía en él a "uno de los más grandes investigadores científicos de nuestro tiempo". "El punto esencial de todo lo que nos ha enseñado el desarrollo de la física atómica estriba en habernos hecho reconocer la característica de totalidad que el cuanto de acción confiere a los procesos atómicos". Su entusiasmo por el nuevo mundo atómico desvelado por la física del siglo XX estuvo de manifiesto en su trabajo y en todas sus intervenciones públicas. "Nuestra penetración en el mundo de los átomos - dice en uno de sus ensayos - es sin duda una aventura comparable a los grandes viajes de los navegantes en busca de nuevas tierras y a las denodadas exploraciones de los astrónomos en las profundidades del espacio celeste." Los nuevos hallazgos de la física suponían un "cambio radical" en la actitud hacia la descripción de la Naturaleza y permitieron un conocimiento profundo y acelerado de las propiedades físicas y químicas de la materia en la primera mitad de siglo.

Este físico teórico mostró con qué profundidad los cambios en el campo de la física habían repercutido en aspectos fundamentales de nuestra perspectiva científica, y como las consecuencias de este cambio de actitud llegaban más allá de este ámbito de arrojando "nueva luz sobre problemas generales del conocimiento". Estas ideas son discutidas en una serie de ensayos escritos entre 1933 y 1962, el año de su muerte. En uno de sus ensayos comenta como fueron muchas las ocasiones en que tuvo 'el privilegio' de discutir con Einstein sobre problemas epistemológicos planteados por el desarrollo de la física atómica. Sus ideas enfrentadas en muchos casos dieron lugar a enriquecedoras discusiones.
Bohr fue actor y testigo de primera fila del cambio radical que experimentó la física a principios de siglo en su transición hacia la física moderna. Quedaban atrás la doctrina de la divisibilidad limitada de la materia, el principio de causalidad, el determinismo... Se habrían paso el principio de complementariedad, la relatividad, la concepción estadística de la física y la mecánica cuántica.

La importancia de la física atómica era valorada así por este físico danés en una conferencia pronunciada en 1955 en la Real Academia de Ciencias de Copenhague: "En la historia de las ciencias no existe un período comparable a nuestro siglo, en el cual la exploración del mundo de los átomos ha conseguido tan grandes progresos en nuestro conocimiento y dominio de esta Naturaleza, de la que nosotros mismos formamos parte. Sin embargo, todo incremento de conocimiento y de poder aumenta nuestra responsabilidad" Esa 'responsabilidad' inherente al desarrollo de una nueva Edad Atómica preocupaba bastante a Bohr, como puso de manifiesto a lo largo de su vida.

Como su compañero Einstein, Niels Bohr era de origen judío, hecho que complicó su existencia en la II Guerra Mundial. Cuando en 1940 su país fue ocupado, se vio retenido, obligado a permanecer allí. Sin embargo, en 1943 consiguió llegar a Suecia en una barca de pescadores, poniendo en peligro su vida y la de su familia. Poco después se trasladaba a los EE.UU., donde trabajó en el desarrollo de la primera bomba atómica hasta su explosión en 1945. Inquietado por el control de armas nucleares, desde 1944 intentó convencer a Churchill y Roosevelt de la necesidad de la cooperación internacional. A su regreso a Dinamarca en 1945 comenzó a desarrollar usos pacifistas de la bomba atómica, y cinco años después escribía una carta pública a las Naciones Unidas defendiendo una política racional y pacífica en el uso de la energía atómica. En 1955 organizó la primera conferencia 'Átomos para la paz', y dos años después recibía el primer premio americano del mismo nombre.



La contribución de Niels Bohr a la física del siglo XX

El siglo XX ha vivido dos grandes revoluciones científicas, la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. La primera de ellas, la relatividad, fue creación personal de Albert Eintein y tiene fecha de nacimiento, el año 1905. La mecánica cuántica, por el contrario, es una obra colectiva, nacida después de una larga gestación. Niels Bohr jugó un doble papel en la génesis de la mecánica cuántica, personalmente y como mediador, o catalizador, a través de su instituto de física en Copenhague. La biografía de Bohr escrita por Abraham Pais se titula, precisamente, "Los tiempos de Niels Bohr" simbolizando este papel director que ha tenido en el desarrollo de la física del siglo XX.

Bohr es recordado principalmente por su modelo atómico, resultado de una genial intuición al combinar las incipientes ideas cuánticas de Planck y Einstein con el modelo atómico de Rutherford. En su artículo de 1913, referido al átomo de hidrógeno, Bohr postula la existencia de unas órbitas estables en las que un electrón podía estar sin perder energía, pero que al cambiar de órbita debía emitir o absorber energía en forma de un fotón. Esta idea explicaba de una forma asombrosamente precisa y simple el hecho de que los átomos emiten luz de unas frecuencias características (series espectrales) bien conocidas pero no explicadas hasta entonces. Nacía lo que ahora conocemos como vieja teoría cuántica, que explicaba los fenómenos atómicos mediante la introducción de una serie de reglas de cuantifiación.

A pesar del éxito inicial del modelo de Bohr, tuvo que aceptarse que no era una representación correcta de la realidad de los átomos. El mismo principio de incertidumbre de Heisenberg impide la existencia de órbitas electrónicas bien definidas. A finales de los años 20, la mecánica cuántica explicó la estructura del átomo de hidrógeno a partir de la resolución de la ecuación de Schrödinger. Las ideas de Bohr, que resultaron fundamentales para la construcción de la nueva física cuántica, fueron superadas rápidamente por la evolución de la teoría que él mismo ayudó a nacer. No obstante, todavía hoy día sigue estando muy extendida la imagen del átomo como un minúsculo sistema planetario.

Niels Bohr estuvo presente en todo el proceso de elaboración y de interpretación de la física cúantica (interpretación de Copenhague). En este proceso resultaron fundamentales las conversaciones -y discusiones- que mantuvo con Einstein en el congreso Solvay del 1927. La más conocida aportación de Bohr a la interpretación de la física cuántica fue su principio de complementariedad: cuando una partícula (electrón o fotón) se comporta como una onda, no puede simultáneamente comportarse como un corpúsculo, y viceversa, pero ambas descripciones resultan necesarias.

Por último, debemos mencionar las contribuciones de Bohr al estudio del núcleo atómico. Su modelo del núcleo como una gota líquida sirvió de soporte teórico a los trabajos que llevaron a Otto Hahn y Lise Meitner al descubrimiento de la fisión nuclear.



 
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