Durante la primera mitad del siglo XX la concepción de lo que hoy entendemos como átomo sufrió grandes transformaciones que revolucionaron la física, y sentaron las bases para la era de la mecánica cuántica. Lejos quedó la idea del átomo como una unidad indivisible y homogénea cuando Rutherford postuló la existencia del núcleo, al observar los resultados del experimento de las láminas de oro.

Tras la experiencia de Rutherford en 1909, el átomo comenzó a entenderse como una masa central positiva alrededor de la cual orbitaban los electrones. El problema surgía ahora por el movimiento de los electrones alrededor del núcleo. El electromagnetismo clásico establece que una partícula cargada en un movimiento acelerado, como lo es un movimiento circular, debería emitir radiación electromagnética. Es decir, según el modelo de Rutherford, en cualquier átomo, los electrones deberían emitir radiación electromagnética por el simple hecho de orbitar. El átomo no podría ser estable, pero Rutherford no encontró forma de explicar por qué los electrones estaban alrededor del núcleo, pero sin emitir energía.

Niels Bohr (Copenhague, 1885) aceptó el desafío de encontrar una nueva visión que diera respuesta a las limitaciones de este modelo. Para ello, después de lograr su doctorado en la Universidad de Copenhague en 1911 marchó a Cambridge para estudiar junto al propio Rutherford y a John Thomson. La tesis de Bohr, que tituló Estudios sobre la teoría del átomo de hidrógeno, ya presentaba bases sólidas para sus futuras investigaciones sobre la estructura atómica.

Apenas dos años más tarde, en 1913 Bohr presenta una nueva idea de modelo atómico, fruto de la revisión del modelo de Rutherford e inspirado por la recién estrenada teoría cuántica de Max Planck. La idea parecía simple: eliminar la emisión de radiación electromagnética de los electrones al girar alrededor del núcleo. Para ello, Bohr propuso unas órbitas determinadas para los electrones, acompañados de niveles cuantizados de energía.

Es decir, los electrones siguen girando alrededor del núcleo pero sólo bajo algunas condiciones, restringidas a tres postulados:

1. Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo sin irradiar energía.
2. Las únicas órbitas tienen momento angular múltiplo entero de h/2π.
3. El electrón sólo emite o absorbe energía cuando salta de una órbita permitida a otra. Y esta energía corresponde a la diferencia de energía entre ambos niveles.

La cuantización de los nieles de energía es un concepto clave para lograr explicar la estabilidad de los átomos; pero también ayudó en la comprensión de la estructura de los espectros atómicos.

Cuando un electrón se mueve entre dos órbitas emite energía, si se mueve hacia una órbita de menor energía; o necesita absorber energía, si promociona a una órbita superior. La cantidad de energía está cuantizada. Se emite en forma de fotones y explica las observaciones de los espectros de absorción y emisión de los núcleos estudiados.

Además del modelo atómico, las contribuciones de Bohr sobre la teoría cuántica comenzaron con el principio de complementariedad, relacionado con el principio de incertidumbre de Heisenberg. El propósito es explicar algunos fenómenos que inicialmente parecen contradictorio en la mecánica cuántica, como la dualidad onda – corpúsculo que presenta la luz.

El desarrollo del modelo atómico y sus contribuciones a los inicios de la Física Cuántica hicieron que Bohr fuese galardonado con el Premio Nobel en 1922.

En 1927, Niels es invitado a participar en la 5ª Conferencia de Solvay (imagen superior), acerca de electrones y fotones; donde los físicos más reconocidos a nivel mundial debatieron sobre la teoría cuántica, buscando una nueva manera de entender el mundo.

De estas sesiones quedó una de las anécdotas más conocidas de la dupla Einstein – Bohr. Al alemán le gustaba proponer experimentos mentales, y en esta ocasión se centraba en el principio de incertidumbre de Heisenberg. El objetivo de Einstein era demostrar que la naturaleza necesita estar bien definida, y la cuántica sólo habla de probabilidades, por lo que no puede estar completa. «Dios no juega a los dados con el Universo» defendía Einstein, convirtiéndose en una de las frases más conocidas del alemán. A lo que Bohr replicó «deja de decirle a Dios lo que tiene que hacer«.

La trayectoria de Niels Bohr no sólo fue prolífica en el área de la Física Teórica; sus conocimientos acerca de la estructura de la materia le permitieron acceder al Proyecto Manhattan, durante la Segunda Guerra Mundial.

Inicialmente como asesor técnico, su cometido se centraba en ayudar a la comprensión de los procesos nucleares y la dinámica de los reactores. Pero pronto Bohr quiso alejarse del objetivo final del proyecto al comprender la magnitud destructiva de la bomba que se estaba desarrollando. Y tras los bombardeos de Hiroshima y Nagasaki en agosto de 1945, quedó profundamente afectado por las consecuencias humanas de la bomba atómica.

En los años posteriores Bohr trabajó por la transparencia nuclear, abogando por el control internacional de estas armas de gran poder de destrucción y por un uso responsable de la energía nuclear. Si bien sus objetivos eran evitar el uso de armas nucleares en futuras guerras, divulgar acerca de los beneficios y riesgos de la energía nuclear, su implicación con el Proyecto Manhattan provocó tensiones éticas y morales entre la comunidad científica.

La trayectoria de Niels Bohr, desde sus aportaciones a la estructura atómica hasta revolucionar la Física Cuántica, pasando por su colaboración indirecta en el desarrollo de la primera bomba atómica pueden formar parte de nuestros temas en la Oposición de Física y Química. Incluir estos detalles transversales puede marcar la diferencia en la valoración del tribunal durante nuestra defensa.

Además, la vida y contribuciones de Bohr puede ser un buen recurso para trabajar en el aula, con los alumnos más mayores, pero también durante los primeros cursos en los que trabajamos la estructura interna de la materia o la evolución del átomo a lo largo de la historia.