Niels Bohr
(Niels
Henrick 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".
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 la
partícula bautizada luego por Stoney (1826-1911) como electrón.
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Niels Bohr
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 acerca de las radiactividad y los modelos
del átomo.
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. Borh, en un alarde de audacia que resultaba
impredecible en su carácter tímido y retraído, se atrevió a soslayar estos
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.
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 Aage Niels
Bohr (1922), 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 recibió 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 -bien es verdad que
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 Borh 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 Berlín, en 1938, 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 habría 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 a la mejora de la Humanidad.
Director,
desde 1953, de la Organización Europea para Investigación Nuclear, Niels Henrik
David Borh 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
comoTeoría 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 átomo 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.
Bohr
aceptó, en parte, el modelo de Rutherford, pero lo superó combinándolo con las
teorías cuánticas de Max Planck (1858-1947). En los tres artículos que publicó
en el Philosophical Magazine en 1913, 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. 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, Borh 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
comoserie de Balmer.
En
un principio, esta estructura del átomo propuesta por Bohr desconcertó a la
mayor parte de los científicos de todo el mundo; 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 James Franck (1882-1964) y
Gustav Hertz (1887-1975)- proporcionaron nuevos datos que confirmaban la
validez del modelo de Bohr. Su teoría 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 Bohr
en 1913 puedan considerarse como las bases donde se sustenta la Física nuclear
contemporánea.
Con
la formulación de estos postulados, Niels Borh logró, en efecto, dar una
explicación cuantitativa del espectro del hidrógeno; pero, 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, Borh 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 las constantes cuánticas llegue a ser despreciables).
Sirviéndose
de este principio, 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 de los elementos.
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 Heisenberg sugirió, a su vez, a Bohr
un nuevo precepto: el principio de complementariedad de la Mecánica cuántica.
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 complementariedadexpresa 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 físicamente incompatibles.
Siguiendo
este razonamiento, Bohr también consideró que eran complementarias ciertas
descripciones, generalmente causales y espacio-temporales, así como a 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 de este principio
de complementariedad.
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. Durante este fructífero período de colaboración, en el Instituto de
Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey), con J. A. Wheeler, esbozó una
nueva teoría del mecanismo de fisión, según la cual el elemento 94 -es decir,
el plutonio, que no habría de ser obtenido hasta un año después por Glenn
Theodore Seaborg (1912-1999)-, tendría, el proceso de fisión nuclear, idéntico
comportamiento al observado en el U-235.
Tomas Ibalo Leandro Origuela
Tomas Ibalo Leandro Origuela