Un átomo se visualiza mejor como un núcleo compacto y denso rodeado de electrones en órbita que zumban. Esta imagen lleva inmediatamente a una pregunta: ¿Cómo siguen girando los electrones alrededor del núcleo sin disminuir la velocidad?
Esta fue una pregunta candente a principios del siglo XX, y la búsqueda de la respuesta finalmente condujo al desarrollo de mecánica cuántica sí mismo.
A principios del siglo XX, después de innumerables experimentos, los físicos apenas comenzaban a armar una imagen coherente de la átomo. Se dieron cuenta de que cada átomo tenía un núcleo denso, pesado y con carga positiva rodeado por una nube de pequeños electrones con carga negativa. Con esa imagen general en mente, su próximo paso fue crear un modelo más detallado.
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En los primeros intentos de este modelo, los científicos se inspiraron en el sistema solarque tiene un «núcleo» denso (el sol) rodeado por una «nube» de partículas más pequeñas (los planetas). Pero este modelo introdujo dos problemas significativos.
Por un lado, una partícula cargada que acelera emite radiación electromagnética. Y debido a que los electrones son partículas cargadas y se aceleran durante sus órbitas, deberían emitir radiación. Esta emisión haría que los electrones perdieran energía y rápidamente entraran en espiral y chocaran con el núcleo, según la Universidad de Tennessee en Knoxville (se abre en una pestaña nueva). A principios de 1900, los físicos estimaron que una espiral interna de este tipo tardaría menos de una trillonésima de segundo, o un picosegundo. Dado que los átomos obviamente viven más de un picosegundo, esto no iba a funcionar.
Un segundo problema más sutil tenía que ver con la naturaleza de la radiación. Los científicos han sabido que los átomos emiten radiación, pero lo hacen a frecuencias específicas muy discretas. Un electrón en órbita, si siguiera este modelo del sistema solar, en cambio emitiría todo tipo de longitudes de onda, contrariamente a las observaciones.
La solución cuántica
El famoso físico danés Niels Bohr fue la primera persona en proponer una solución a este problema. En 1913, sugirió que los electrones en un átomo no podían tener cualquier órbita que quisieran. En su lugar, tenían que estar bloqueados en órbitas a distancias muy específicas del núcleo, de acuerdo con la entrada de mención del Premio Nobel para su premio posterior (se abre en una pestaña nueva). Además, propuso que había una distancia mínima que podía alcanzar un electrón y que no podía moverse más cerca del núcleo.
No sacó estas ideas de un sombrero. Un poco más de una década antes, el físico alemán Max Planck había propuesto que la emisión de radiación podría «cuantificarse», lo que significa que un objeto solo podría absorber o emitir radiación en porciones discretas, y no tener el valor que quisiera. según la página de referencia de HyperPhysics en la Universidad Estatal de Georgia (se abre en una pestaña nueva). Pero el tamaño más pequeño de estos fragmentos discretos era una constante, que llegó a conocerse como la constante de Planck. Antes de esto, los científicos pensaban que tales emisiones eran continuas, lo que significaba que las partículas podían radiar a cualquier frecuencia.
La constante de Planck tiene las mismas unidades que el momento angular, o el momento de un objeto que se mueve en un círculo. Entonces Bohr importó esta idea a los electrones que orbitan alrededor de un núcleo, diciendo que la órbita más pequeña posible de un electrón sería igual al momento angular de exactamente una constante de Planck. Las órbitas más altas podrían tener el doble de ese valor, o tres veces, o cualquier otro múltiplo entero de la constante de Planck, pero nunca una fracción de ella (por lo tanto, no 1.3 o 2.6 y así sucesivamente).
Se necesitaría el desarrollo completo de la mecánica cuántica para comprender por qué los electrones tenían una órbita tan mínima y órbitas más altas claramente definidas. Los electrones, como todas las partículas de materia, se comportan tanto como partículas como como ondas. Si bien podemos imaginar un electrón como un pequeño planeta que orbita alrededor del núcleo, podemos imaginarlo fácilmente como una onda que envuelve ese núcleo.
Las ondas en un espacio confinado tienen que obedecer reglas especiales. No pueden tener cualquier longitud de onda; deben estar hechos de ondas estacionarias que encajen dentro del espacio. Es como cuando alguien toca un instrumento musical: si sujeta los extremos de una cuerda de guitarra, por ejemplo, solo encajarán ciertas longitudes de onda, lo que le dará notas separadas. De manera similar, la onda de electrones alrededor de un núcleo tiene que encajar, y la primera onda estacionaria de ese electrón da la órbita más cercana de un electrón a un núcleo.
Los desarrollos futuros en mecánica cuántica continuarían refinando esta imagen, pero el punto básico permanece: un electrón no puede acercarse más a un núcleo porque su naturaleza mecánica cuántica no le permitirá ocupar menos espacio.
Sumando las energías
Pero hay una forma completamente diferente de examinar la situación que no se basa en absoluto en la mecánica cuántica: simplemente mire todas las energías involucradas. Un electrón que orbita alrededor de un núcleo es atraído eléctricamente por el núcleo; siempre se está acercando. Pero el electrón también tiene energía cinética, que funciona para enviar al electrón a volar.
Para un átomo estable, estos dos están en equilibrio. De hecho, la energía total de un electrón en órbita, que es una combinación de su energía cinética y energías potenciales, es negativo. Eso significa que tienes que agregar energía al átomo si quieres eliminar el electrón. Es la misma situación con los planetas en órbita alrededor del sol: para eliminar un planeta del sistema solar, tendrías que agregar energía al sistema.
Una forma de ver esta situación es imaginar un electrón «cayendo» hacia un núcleo, atraído por su carga eléctrica opuesta. Pero debido a las reglas de la mecánica cuántica, nunca puede llegar al núcleo. Entonces se atasca, orbitando para siempre. Pero este escenario está permitido por la física, porque la energía total del sistema es negativa, lo que significa que es estable y está unido, formando un átomo de larga duración.
Publicado originalmente en Live Science el 21 de enero de 2011 y reescrito el 22 de junio de 2022.
