Aunque solemos oír hablar sobre la teoría cuántica en las clases de física, y nos evoca un mundo más allá de los átomos de una elevada complejidad intelectual, esta teoría no se fraguó en unos pocos años y, al principio, se intentó ligar a conceptos de la física clásica.
Los inicios
La teoría cuántica surgió a principios del Siglo XX. El punto de inflexión lo supuso el desarrollo del modelo de Bohr (1913).
La investigación y desarrollo de esta teoría se fraguó en tres núcleos geográficos con los correspondientes protagonistas:
- Bohr e Copenhague
- Sommerfeld en Munich
- y Max Born en Gotinga.
En todos los casos el método de trabajo fue la aplicación de física clásica, seguida por procesos de cuantización.
En estas condiciones se lograron grandes éxitos en el estudio del átomo de hidrógeno, pero aparecían fuertes discrepancias cuando se atacaban átomos de más electrones.
Así, a principios de la de la década de 1920 se produjo una importante crisis que requirió de nuevos fundamentos.
El modelo de Bohr-Sommerfeld
El modelo de átomo establecido con anterior a Bohr, presentaba un problema importante: según la física clásica, no debería ser estable.
En el modelo de Rutherford, según la electrodinámica, el electrón emitiría radiación perdiendo así energía y colapsando sobre el núcleo, cosa que no sucedía.
Otro problema para el que no daba explicación este modelo era el hecho de que en los espectros atómicos se registraban emisiones discretas de radiación con frecuencias bien definidas, pero cabía esperarlas continuas.
Según el modelo de átomo de hidrógeno propuesto por Bohr, en este los electrones se situarían en órbitas estables, denominadas "estacionarias".
Así, se explicaban las emisiones o absorciones de radiación de energía E=hv entre órbitas.
El modelo lograba relacionar las leyes espectrales encontradas empíricamente con la estructura del átomo.
James Frank y Gustav Hertz realizaron experimentos de colisiones de electrones con átomos de vapor de mercurio que confirmaron el modelo de Bohr.
Los resultados demostraban que las energías de los saltos entre estados estaba cuantizada, es decir, que los electrones no podían tener cualquier energía, sino cantidades concretas y discretas.
Los éxitos alcanzados por Bohr decayeron cuando se intentó aplicar a los espectros más complejos de átomos con más de un electrón.
Entonces apareció la figura de Arnold Sommerfeld que extendió el modelo atómico de Bohr introduciendo estas variaciones:.
- Supuso órbitas elípticas para las trayectorias orbitales del electrón.
- Introdujo dos números cuánticos adicionales para describir el movimiento de los electrones.
La teoría de Sommerfeld permitió abordar el estudio de átomos con varios electrones, en los que estos interaccionan entre sí y con el núcleo.
Sommerfeld pudo explicar el fenómeno de la estructura fina del espectro del hidrógeno.
Los principios de la teoría
En 1918, Bohr publicó un trabajo en el que trataba de presentar la teoría cuántica de una manera consistente lógicamente y en el que se presentaban tres conceptos relevantes:
- Se recogía un principio de invariancia adiabática formulado por Paul Ehrenfest que permitía resolver todos los sistemas cuánticos relacionados adiabáticamente con un sistema dado.
- Un segundo principio expuesto por Bohr fue el denominado "principio de correspondencia”. que establecía una vinculación entre la teoría cuántica y la física clásica. A primera vista podría entenderse que el principio de correspondencia establecía, a "grosso modo" que en el caso de saltos cuánticos infinitamente próximos, la teoría cuántica se reducía a la clásica. Pero Bohr no lo veía así: consideraba que las físicas clásica y cuántica constituían interpretaciones distintas y que para números cuánticos principales (n) cada vez más altos convergian asintóticamente.
- En tercer lugar, Bohr aludió a un trabajo publicado por Einstein en 1916, en el que se presentaba una nueva deducción de la ley de radiación de Planck. Einstein consideraba que la materia consistía en átomos o moléculas que seguían el modelo de Bohr, y que las transiciones de los electrones entre estados estacionarios obedecían a la misma ley estadística que se había desarrollado en el caso de las desintegraciones radiactivas. De aquí obtenía la ley de Planck. En 1903, Ernest Rutherford y el químico Frederick Soddy publicaron la ley que seguía la transformación de los elementos radiactivos.
Tanto Rutherford y Soddy como Einstein, a la manera clásica, entendieron estos tratamientos estadísticos como una aproximación, dado el insuficiente conocimiento de los mecanismos atómicos causales que provocaban estas transformaciones. Que no se pudiese penetrar en ellos no significaba que no existiesen: solo expresaba la incapacidad de la física para tratar con ellos.
Sin embargo, Bohr fue radical: entendió las transiciones no inducidas como verdaderamente espontáneas, es decir, como acausales. Esto constituía una ruptura drástica con las concepciones de la física clásica, en donde todo efecto debía responder necesariamente a una causa.
