Quimica

Niels Bohr

(Niels Henrik David Bohr; Copenhague, 1885 - 1962) Físico danés. Considerado como una de las figuras más deslumbrantes de la física contemporánea y, por sus aportaciones teóricas y sus trabajos prácticos, como uno de los padres de la bomba atómica, fue galardonado en 1922 con el Premio Nobel de Física "por su investigación acerca de la estructura de los átomos y la radiación que emana de ellos".

Niels Bohr

Pese a contravenir principios de la física clásica, su modelo atómico, que incorporaba el modelo de átomo planetario de Rutherford y la noción de cuanto de acción introducida por Planck, permitió explicar tanto la estabilidad del átomo como sus propiedades de emisión y de absorción de radiación. En esta teoría, el electrón puede ocupar algunas órbitas estacionarias en las cuales no irradia energía, y los procesos de emisión y de absorción son concebidos como transiciones del electrón de una órbita estacionaria a otra.

Biografía

Niels Bohr cursó estudios superiores de física en la Universidad de Copenhague, donde obtuvo el grado de doctor en 1911. Tras haberse revelado como una firme promesa en el campo de la física nuclear, pasó a Inglaterra para ampliar sus conocimientos en el prestigioso Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge, bajo la tutela de sir Joseph John Thomson (1856-1940), químico británico distinguido con el Premio Nobel en 1906 por sus estudios acerca del paso de la electricidad a través del interior de los gases, que le habían permitido descubrir el electrón, partícula anteriormente intuida y bautizada por George Johnstone Stoney (1826-1911).

Precisamente al estudio de los electrones estaba dedicada la tesis doctoral que acababa de leer el joven Bohr en Copenhague, y que había llevado a territorio británico con la esperanza de verla traducida al inglés. Pero, comoquiera que Thomson no se mostrara entusiasmado por el trabajo del científico danés, Bohr decidió abandonar el Cavendish Laboratory y marcharse a la Universidad de Manchester, donde aprovechó las enseñanzas de otro Premio Nobel, Ernest Rutherford (1871-1937), para ampliar sus saberes sobre los modelos del átomo y la radiactividad, descubierta por Pierre y Marie Curie.

A partir de entonces, entre ambos científicos se estableció una estrecha colaboración que, sostenida por firmes lazos de amistad, habría de ser tan duradera como fecunda. Rutherford había elaborado una teoría del átomo que era totalmente válida en un plano especulativo, pero que no podía sostenerse dentro de las leyes de la física clásica. Bohr, en un alarde de audacia que resultaba impredecible en su carácter tímido y retraído, se atrevió a soslayar los problemas que obstaculizaban los progresos de Rutherford con una solución tan sencilla como arriesgada: afirmó, simplemente, que los movimientos que se daban dentro del átomo están gobernados por unas leyes ajenas a las de la física tradicional.

Niels Bohr en el laboratorio (1922)

En 1913, Niels Bohr alcanzó celebridad mundial dentro del ámbito de la física al publicar una serie de ensayos en los que revelaba su particular modelo de la estructura del átomo. Tres años después, el científico danés regresó a su ciudad natal para ocupar una plaza de profesor de Física Teórica en su antigua alma mater; y en 1920, merced al prestigio internacional que había ido adquiriendo por sus estudios y publicaciones, consiguió las subvenciones necesarias para la fundación del denominado Instituto Nórdico de Física Teórica (más tarde denominado Instituto Niels Bohr), cuya dirección asumió desde 1921 hasta la fecha de su muerte (1962).

En muy poco tiempo este instituto se erigió, junto a las universidades alemanas de Munich y Göttingen, en uno de los tres vértices del triángulo europeo donde se estaban desarrollando las principales investigaciones sobre la física del átomo. En 1922, año en el que Bohr se consagró definitivamente como científico de renombre universal con la obtención del Premio Nobel, vino al mundo su hijo Aage Niels Bohr, que habría de seguir los pasos de su padre y colaborar con él en varias investigaciones. Doctorado también en física, fue, al igual que su progenitor, profesor universitario de dicha materia y director del Instituto Nórdico de Física Teórica, y recibiría el Premio Nobel en 1975.

Inmerso en sus investigaciones sobre el átomo y la mecánica cuántica, Niels Bohr enunció, en 1923, el principio de la correspondencia, al que añadió en 1928 el principio de la complementariedad. A raíz de esta última aportación se fue constituyendo en torno a su figura la denominada Escuela de Copenhague de la mecánica cuántica, cuyas teorías fueron combatidas ferozmente (y ciertamente en vano) por Albert Einstein (1879-1955). A pesar de estas diferencias, sostenidas siempre en un plano teórico (pues Einstein sólo pudo oponer a las propuestas de Bohr elucubraciones mentales), el padre de la teoría de la relatividad reconoció en el físico danés a "uno de los más grandes investigadores científicos de nuestro tiempo".

En la década de los años treinta, Niels Bohr pasó largas temporadas en los Estados Unidos de América, adonde llevó las primeras noticias sobre la fisión nuclear, descubierta en 1938 en Berlín por Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Strassmann(1902-1980), que habrían de dar lugar a los trabajos de fabricación de armas nucleares de destrucción masiva. Durante cinco meses trabajó con J. A. Wheeler en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey), y anunció, junto con su colaborador, que el plutonio había de ser fisionable, al igual que lo era el uranio.

De regreso a Dinamarca, fue elegido presidente de la Real Academia Danesa de Ciencias (1939). Volvió a instalarse en Copenhague, en donde continuó investigando e impartiendo clases hasta que en 1943, a raíz de la ocupación alemana, tuvo que abandonar su país natal debido a sus orígenes judíos. Su vida y la de los suyos llegaron a estar tan amenazadas que se vio forzado a embarcar a su familia en un pequeño bote de pesca y poner rumbo a Suecia. Pocos días después, Bohr se refugió en los Estados Unidos y, bajo el pseudónimo de Nicholas Baker, empezó a colaborar activamente en el denominado Proyecto Manhattan, desarrollado en un laboratorio de Los Álamos (Nuevo México), cuyo resultado fue la fabricación de la primera bomba atómica.

Al término de la II Guerra Mundial (1939-1945), retornó a Dinamarca y volvió a ponerse al frente del Instituto Nórdico de Física Teórica. A partir de entonces, consciente de las aplicaciones devastadoras que podían tener sus investigaciones, se dedicó a convencer a sus colegas de la necesidad de usar los hallazgos de la física nuclear con fines útiles y benéficos.

Pionero en la organización de simposios y conferencias internacionales sobre el uso pacífico de la energía atómica, en 1951 publicó y divulgó por todo el mundo un manifiesto firmado por más de un centenar de científicos eminentes, en el que se afirmaba que los poderes públicos debían garantizar el empleo de la energía atómica para fines pacíficos. Por todo ello, en 1957, recibió el premio Átomos para la Paz, convocado por la Fundación Ford para favorecer las investigaciones científicas encaminadas al progreso de la humanidad.

Niels Bohr en una imagen tomada en 1950

Director, desde 1953, de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, Niels Henrik David Bohr falleció en Copenhague durante el otoño de 1962, a los setenta y siete años de edad, después de haber dejado impresas algunas obras tan valiosas como Teoría de los espectros y constitución atómica (1922), Luz y vida(1933), Teoría atómica y descripción de la naturaleza (1934), El mecanismo de la fisión nuclear (1939) y Física atómica y conocimiento humano (1958).

El modelo atómico de Bohr

Las primeras aportaciones relevantes de Bohr a la Física contemporánea tuvieron lugar en 1913, cuando, para afrontar los problemas con que había topado su maestro y amigo Rutherford, afirmó que los movimientos internos que tienen lugar en el átomo están regidos por leyes particulares, ajenas a las de la física tradicional. Al hilo de esta afirmación, Bohr observó también que los electrones, cuando se hallan en ciertos estados estacionarios, dejan de irradiar energía.

En realidad, Rutherford había vislumbrado un átomo de hidrógeno conformado por un protón (es decir, una carga positiva central) y un partícula negativa que giraría alrededor de dicho protón de un modo semejante al desplazamiento descrito por los planetas en sus órbitas en torno al sol. Pero esta teoría contravenía las leyes de la física tradicional, puesto que, a tenor de lo conocido hasta entonces, una carga eléctrica en movimiento tenía que irradiar energía, y, por lo tanto, el átomo no podría ser estable.

Niels Bohr aceptó, en parte, la teoría atómica de Rutherford, pero la superó combinándolo con las teorías cuánticas de Max Planck (1858-1947). En los tres artículos que publicó en el Philosophical Magazine en 1913, Bohr enunció cuatro postulados: 1) Un átomo posee un determinado número de órbitas estacionarias, en las cuales los electrones no radian ni absorben energía, aunque estén en movimiento. 2) El electrón gira alrededor de su núcleo de tal forma que la fuerza centrífuga sirve para equilibrar con exactitud la atracción electrostática de las cargas opuestas. 3) El momento angular del electrón en un estado estacionario es un múltiplo de h / 2p (donde h es la constante cuántica universal de Planck).

Según el cuarto postulado, cuando un electrón pasa de un estado estacionario de más energía a otro de menos (y, por ende, más cercano al núcleo), la variación de energía se emite en forma de un cuanto de radiación electromagnética (es decir, un fotón). Y, a la inversa, un electrón sólo interacciona con un fotón cuya energía le permita pasar de un estado estacionario a otro de mayor energía.

Werner Heisenberg y Niels Bohr en
la Conferencia de Copenhague (1934)

Dicho de otro modo, la radiación o absorción de energía sólo tiene lugar cuando un electrón pasa de una órbita de mayor (o menor) energía a otra de menor (o mayor), que se encuentra más cercana (o alejada) respecto al núcleo. La frecuencia f de la radiación emitida o absorbida viene determinada por la relación: E1 - E2 = hf, donde E1 y E2 son las energías correspondientes a las órbitas de tránsito del electrón. Merced a este último y más complejo postulado, Bohr pudo explicar por qué, por ejemplo, los átomos de hidrógeno ceden distintivas longitudes de onda de luz, que aparecen en el espectro del hidrógeno como una distribución fija de líneas de luz conocida como serie de Balmer.

En un principio, el modelo atómico propuesto por Bohr desconcertó a la mayor parte de los científicos de todo el mundo. Su manera de explicar la estructura de un átomo era hacer caso omiso (al menos en ciertas partes pequeñas del átomo) de un principio aceptado de la física. La teoría atómica de Bohr parecía casi un timo: inventar un modelo simplemente por el hecho de que podría funcionar bien. Pero, a raíz de que su colega y maestro Rutherford le felicitara efusivamente por estos postulados, numerosos investigadores del Centro y el Norte de Europa comenzaron a interesarse por las ideas del físico danés, y algunos de ellos, como los alemanes James Franck (1882-1964) y Gustav Hertz (1887-1975), proporcionaron nuevos datos que confirmaban la validez del modelo de Bohr.

La teoría atómica de Bohr se aplicó, en efecto, al estudio del átomo de hidrógeno, aunque enseguida pudo generalizarse a otros elementos superiores, gracias a la amplitud y el desarrollo que le proporcionó el trabajo de Arnold Sommerfeld(1868-1951), que mejoró el modelo del danés para explicar la estructura fina del espectro. De ahí que los postulados lanzados por Niels Bohr en 1913 puedan considerarse como las bases en que se sustenta la física nuclear contemporánea.

El principio de correspondencia

Con la formulación de estos postulados, Niels Bohr logró, en efecto, dar una explicación cuantitativa del espectro del hidrógeno; y, fundamentalmente, consiguió establecer los principios de la teoría cuántica del átomo en la forma más clara y concisa posible. Pero, ante todo, su gran acierto fue señalar que estos principios eran irracionales desde el punto de vista de la mecánica clásica, y advertir que requerían una nueva limitación en el uso de los conceptos ordinarios de causalidad.

Para fijar las circunstancias en que debían concordar la mecánica clásica y las nuevas teorías de la mecánica cuántica, Bohr estableció en 1923 el denominado principio de correspondencia, en virtud del cual la mecánica cuántica debe tender hacia la teoría de la física tradicional al ocuparse de los fenómenos macroscópicos (o, dicho de otro modo, siempre que los valores de las constantes cuánticas lleguen a ser despreciables).

Sirviéndose de este principio, Niels Bohr y sus colaboradores, entre los que se contaba el joven Werner Karl Heisenberg (1901-1976), otro futuro Premio Nobel de Física, trazaron un cuadro aproximado de la estructura de los átomos que poseen numerosos electrones; y consiguieron otros logros como explicar la naturaleza de los rayos X, los fenómenos de la absorción y emisión de luz por parte de los átomos y la variación periódica en el comportamiento químico que reflejaba la tabla periódica de los elementos.

El principio de complementariedad

En 1925, su ayudante Heisenberg enunció el principio de indeterminación o de incertidumbre, según el cual era utópica la idea de poder alcanzar, en el campo de la microfísica, un conocimiento pleno de la realidad de la naturaleza en sí misma o de alguna de las cosas que la componen, ya que los instrumentos empleados en la experimentación son objetos naturales sometidos a las leyes de la física tradicional.

La formulación de este luminoso principio de Werner Heisenberg sugirió a su vez a Bohr un nuevo precepto: el llamado principio de complementariedad de la mecánica cuántica (1928). Partiendo de la dualidad onda-partícula recientemente enunciada por el joven Louis de Broglie (1892-1987), es decir, de la constatación de que la luz y los electrones actúan unas veces como ondas y otras como partículas, Bohr afirmó que, en ambos casos, ni las propiedades de la luz ni las de los electrones pueden observarse simultáneamente, por más que sean complementarias entre sí y necesarias para una interpretación correcta.

En otras palabras, el principio de complementariedad expresa que no existe una separación rígida entre los objetos atómicos y los instrumentos que miden su comportamiento. Ambos son, en opinión de Bohr, complementarios: elementos de diversas categorías, incluyendo fenómenos pertenecientes a un mismo sistema atómico, pero sólo reconocibles en situaciones experimentales que son físicamente incompatibles.

Siguiendo este razonamiento, Niels Bohr también consideró que eran complementarias ciertas descripciones, generalmente causales y espacio-temporales, así como ciertas propiedades físicas como la posición y el momento precisos. En su valioso ensayo titulado Luz y vida (1933), el científico danés, dando una buena muestra de sus singulares dotes para la especulación filosófica, analizó las implicaciones humanas del principio de complementariedad.

La fisión nuclear

En la década de los años treinta, el creciente interés de todos los científicos occidentales por el estudio del interior del núcleo del átomo (con abundante experimentación al respecto) llevó a Bohr al estudio detallado de los problemas surgidos al tratar de interpretar los nuevos conocimientos adquiridos de forma tan repentina por la física atómica. Fue así como concibió su propio modelo de núcleo, al que comparó con una gota líquida, y propuso la teoría de los fenómenos de desintegración nuclear.

Con ello estaba sentando las bases de la fisión nuclear, que acabaría dando lugar al más poderoso instrumento de exterminio concebido hasta entonces por el ser humano: la bomba atómica. Bohr no llegó, empero, en primer lugar al hallazgo de la fisión nuclear, conseguida por vez primera, como ya se ha indicado más arriba, por Otto Hahn y Fritz Strassmann en el Berlín de 1938.

El 15 de enero de 1939 llevó las primeras nuevas de este logro científico a los Estados Unidos de América, en donde demostró que el isótopo 235 del uranio es el responsable de la mayor parte de las fisiones. En el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey), durante un fructífero período de colaboración con J. A. Wheeler, esbozó una nueva teoría del mecanismo de fisión, según la cual el elemento 94 tendría idéntico comportamiento al observado en el U-235 en el proceso de fisión nuclear. El elemento 94 sería obtenido un año después por Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) y recibió el nombre de plutonio por hallarse a continuación del uranio y del neptunio en la tabla periódica.