Moseley

Henry Gwyn-Jeffreys Moseley; (Weymouth, 1887 - Gallípoli, 1915) Físico inglés que demostró la relación entre el número atómico y la carga nuclear de los elementos, llamada en su honor Ley de Moseley. Procedente de una familia de científicos, realizó sus estudios en Oxford, donde obtuvo su título en 1910. Rutherford lo acogió bajo su tutela en Manchester; pero tan sólo estuvo dos años con él y volvió a Oxford.

Un año después, en 1914, ante el estallido de la Primera Guerra Mundial, marchó a Australia, y se alistó en el Royal Engineers como oficial de transmisiones. Moseley fue una de las muchas víctimas de la catástrofe. Encontró la muerte durante la campaña de Gallipoli, en el desembarco de la bahía de Suvla Bay, al recibir un disparo en la cabeza que le asestó un turco emboscado.

Moseley centró su actividad en el estudio de los rayos X, utilizando para ello los trabajos que sobre dichas radiaciones habían hecho otros científicos como Bragg y Von Laue, en los que habían demostrado, respectivamente, que los rayos procedían de los metales usados como anticátodo en los tubos de rayos X, y que las frecuencias de estos rayos podían ser calculadas por una técnica de difracción cristalográfica.

En 1913, el joven Moseley, que conocía este último método, se hallaba en Manchester intentando hallar la medición exacta de las longitudes de onda de los rayos X, pero prefería servirse de cristales, en lugar de rejillas de refracción, para producir una deflexión de los rayos dependiente de la longitud de onda. Probó con más de treinta metales -que incluían desde el aluminio al oro- como anticátodos, descubriendo que las ondas de rayos X variaban regularmente de posición al pasar de un elemento a otro, pero siempre siguiendo el orden que ocupaban en la tabla periódica.

Este patrón de variación le permitió establecer que el número que marca la posición de un elemento, en una serie ordenada, es el mismo que da la carga eléctrica del núcleo, es decir, que la carga nuclear era igual al denominado por el propio Moseley número atómico. La veracidad de estas teorías significaba poder determinar la carga nuclear de cualquier elemento, al igual que el número de electrones de su átomo, con sólo mirar el lugar que ocupaba en la lista.

El punto oscuro de la teoría (la ausencia de seis elementos en la tabla periódica) pronto se subsanó, ya que se descubrieron estos elementos desconocidos. La relación existente entre la frecuencia de los rayos X y su número atómico fue bautizada como Ley de Moseley.

Wolfgang Pauli

Wolfgang Pauli (Viena, 1900-Zurich, 1958) Físico austriaco, nacionalizado estadounidense. Con tan sólo veinte años escribió un artículo enciclopédico de más de doscientas páginas sobre la teoría de la relatividad. Nombrado profesor de la Universidad de Hamburgo en 1923, un año más tarde propuso un cuarto número cuántico, que puede adoptar los valores numéricos de ½ o -½, necesario para poder especificar los estados energéticos del electrón. Más adelante se verificó la existencia de estos números cuánticos, denominados de espín, representativos de las dos direcciones posibles de giro sobre el eje de rotación de los fermiones. En 1925 introdujo el principio de exclusión, que clarificó de forma inmediata la estructuración de los átomos en la tabla periódica.

En 1928 ingresó en el Instituto Federal de Tecnología de Zurich como profesor de física teórica. Bajo su dirección, esta institución se convirtió en un importante centro de investigación en los años precedentes a la Segunda Guerra Mundial.

A finales de la década de 1920 observó que cuando se emite una partícula beta (electrón) desde un núcleo atómico, por lo general se produce una pérdida de energía, lo cual constituye una flagrante violación de la ley de conservación de la energía. Para explicar el fenómeno, Pauli propuso en 1931 la existencia de alguna partícula –denominada con posterioridad neutrino por Enrico Fermi– eléctricamente neutra y de masa nula o prácticamente inapreciable, y cuya desaparición pasa inadvertida, dado que interactúa con la materia de forma muy débil. El neutrino no pudo ser detectado como entidad hasta 1956. En 1940 se trasladó a Estados Unidos para hacerse cargo de la cátedra de física teórica del Institute for Advanced Study de la Universidad de Princeton, y en 1946 obtuvo la nacionalidad estadounidense. Finalizada la Segunda Guerra Mundial, regresó a Zurich.

Orbitales y números cuánticos

Mientras que en el modelo de Bohr se hablaba de órbitas definidas en el modelo de Schrödinger sólo podemos hablar de las distribuciones probables para un electrón con cierto nivel de energía. Así para un electrón en el estado fundamental la probabilidad de la distribución se refleja en la siguiente figura, dónde la intensidad del color rojo indica una mayor probabilidad de encontrar al electrón en esa región, o lo que es lo mismo una mayor densidad electrónica.

De la resolución de la ecuación de onda de Schrödinger se obtiene una serie de funciones de onda (ó probabilidades de distribución de los electrones) para los diferentes niveles energéticos que se denominan orbitales atómicos.
La figura anterior representa el orbital de mínima energía del átomo de hidrógeno. Mientras que el modelo de Bohr utilizaba un número cuántico(n) para definir una órbita el modelo de Schrödinger utiliza tres números cuánticos para describir un orbital: n, l y ml . A continuación vemos las características de estos números:

• Número cuántico principal (n):Representa al nivel de energía (estado estacionario de Bohr) y su valor es un número entero positivo (1, 2, 3, 4, etc) y se le asocia a la idea física del volumen del orbital. Dicho de otra manera el número cuántico principal determina el tamaño de las órbitas, por tanto, la distancia al núcleo de un electrón vendrá determinada por este número cuántico. Todas las órbitas con el mismo número cuántico principal forman una capa. Su valor puede ser cualquier número natural mayor que 0 (1, 2, 3...) y dependiendo de su valor, cada capa recibe como designación una letra. Si el número cuántico principal es 1, la capa se denomina K, si 2 L, si 3 M, si 4 N, si 5 P, etc.
• Número cuántico secundario (l):Identifica al subnivel de energía del electrón y se le asocia a la forma del orbital. Sus valoresdependen del número cuántico principal "n", es decir, sus valores son todos los enteros entre 0 y (n-1), incluyendo al 0. Ejemplo: n = 4 ; l = 0, 1, 2, 3. Dicho de otra manera, El número cuántico azimutal determina la excentricidad de la órbita, cuanto mayor sea, más excéntrica será, es decir, más aplanada será la elipse que recorre el electrón. Su valor depende del número cuántico principal n, pudiendo variar desde 0 hasta una unidad menos que éste(desde 0 hasta n-1). Así, en la capa K, como n vale 1, l sólo puede tomar el valor 0, correspondiente a una órbita circular. En la capa M, en la que n toma el valor de 3, l tomará los valores de 0, 1 y 2, el primero correspondiente a una órbita circular y los segundos a órbitas cada vez más excéntricas.

• Número cuántico magnético (m): Describe las orientaciones espaciales de los orbitales. Sus valores son todos los enteros del intervalo (-l,+l) incluyendo el 0.Ejemplo: n = 4l = 0, 1, 2, 3m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Dicho de otra manera, El número cuántico magnético determina la orientación espacial de las órbitas, de las elipses. Su valor dependerá del número de elipses existente y varía desde -l hasta l, pasando por el valor 0. Así, si el valor de l es 2, las órbitas podrán tener 5 orientaciones en el espacio, con los valores de m -2, -1, 0, 1 y 2. Si el número cuántico azimutal es 1, existen tres orientaciones posible (-1, 0 y 1), mientras que si es 0, sólo hay una posible orientación espacial, correspondiente al valor de m 0.
  El conjunto de estos tres números cuánticos determinan la forma y orientación de la órbita que describe el electrón y que se denomina orbital. Según el número cuántico azimutal (l), el orbital recibe un nombre distinto. cuando l = 0, se llama orbital s; si vale 1, se denomina orbital p, cuando 2 d, si su valor es 3, se denomina orbital f, si 4 g, y así sucesivamente. Pero no todas las capa tienen el mismo número de orbitales, el número de orbitales depende de la capa y, por tanto, del número cuántico n. Así, en la capa K, como n = 1, l sólo puede tomar el valor 0 (desde 0 hasta n-1, que es 0) y m también valdrá 0 (su valor varía desde -l hasta l, que en este caso valen ambos 0), así que sólo hay un orbital s, de valores de números cuánticos (1,0,0). En la capa M, en la que n toma el valor 3. El valor de l puede ser 0, 1 y 2. En el primer caso (l = 0), m tomará el valor 0, habrá un orbital s; en el segundo caso (l = 1), m podrá tomar los valores -1, 0 y 1 y existirán 3 orbitales p; en el caso final (l = 2) m tomará los valores -2, -1, 0, 1 y 2, por lo que hay 5 orbitales d. En general, habrá en cada capa n2 orbitales, el primero s, 3 serán p, 5 d, 7 f, etc.
  
  Número cuántico de espín (s): Describe el giro del electrón en torno a su propio eje, en un movimiento de rotación. Este giro puede hacerlo sólo en dos direcciones, opuestas entre sí. Por ello, los valores que puede tomar el número cuántico de spin son -1/2 y +1/2. Dicho de otra manera, Cada electrón, en un orbital, gira sobre si mismo. Este giro puede ser en el mismo sentido que el de su movimiento orbital o en sentido contrario. Este hecho se determina mediante un nuevo número cuántico, el número cuántico se spin s, que puede tomar dos valores, 1/2 y -1/2.

Según el principio de exclusión de Pauli, en un átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, así que en cada orbital sólo podrán colocarse dos electrones (correspondientes a los valores de s +1/2 y -1/2) y en cada capa podrán situarse 2n2 electrones (dos en cada orbital).

Representaciones de los Orbitales

• Orbitales "s": Los orbitales "s" son esféricamente simétricos.
• Orbitles "p": La forma de los orbitales p es de dos lóbulos situados en lados opuestos al núcleo. Hay tres tipos de orbitales p ( ; ml= -1,0,1) que difieren en su orientación. No hay una correlación simple entre los tres números cuánticos magnéticos y las tres orientaciones: las direcciones x, y y z. Los orbitales p del nivel n se denominan npx, npy, npz
  Los orbitales p al igual que los s aumentan de tamaño al aumentar el número cuántico principal.
• Orbitales "d": En el tercer subnivel tenemos 5 orbitales atómicos (para n>3 l =2; ml=-2,-1,0,1,2) con diferentes orientaciones sen el espacio tal y como vemos en la figura :
• Orbitales "f": Son orbitales de mayor energía. Para n>4 tendremos 7 orbitales f ( =3 y ml=-3,-2,-1,0,1,2,3) . Los orbitales f son importantes para comprender el comportamiento de los elementos con número atómico mayor a 57.

Erwin Schrödinger

Erwin Schrödinger (Viena, 1887-id., 1961) Físico austriaco. Compartió el Premio Nobel de Física del año 1933 con Paul Dirac por su contribución al desarrollo de la mecánica cuántica. Ingresó en 1906 en la Universidad de Viena, en cuyo claustro permaneció, con breves interrupciones, hasta 1920. Sirvió a su patria durante la Primera Guerra Mundial, y luego, en 1921, se trasladó a Zurich, donde residió los seis años siguientes.

En 1926 publicó una serie de artículos que sentaron las bases de la moderna mecánica cuántica ondulatoria, y en los cuales transcribió en derivadas parciales su célebre ecuación diferencial, que relaciona la energía asociada a una partícula microscópica con la función de onda descrita por dicha partícula. Dedujo este resultado tras adoptar la hipótesis de De Broglie, enunciada en 1924, según la cual la materia y las partículas microscópicas, éstas en especial, son de naturaleza dual y se comportan a la vez como onda y como cuerpo.

Atendiendo a estas circunstancias, la ecuación de Schrödinger arroja como resultado funciones de onda, relacionadas con la probabilidad de que se dé un determinado suceso físico, tal como puede ser una posición específica de un electrón en su órbita alrededor del núcleo.

En 1927 aceptó la invitación de la Universidad de Berlín para ocupar la cátedra de Max Planck, y allí entró en contacto con algunos de los científicos más distinguidos del momento, entre los que se encontraba Albert Einstein.

Permaneció en dicha universidad hasta 1933, momento en que decidió abandonar Alemania ante el auge del nazismo y de la política de persecución sistemática de los judíos. Durante los siete años siguientes residió en diversos países europeos hasta recalar en 1940 en el Dublin Institute for Advanced Studies de Irlanda, donde permaneció hasta 1956, año en el que regresó a Austria como profesor emérito de la Universidad de Viena.

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.

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.

Niels Henrick David 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) comoelectrón.  

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. 

Eugen Goldstein

Eugen Goldstein (Gleiwitz, 1850 - Berlín, 1930) Físico alemán. Colaborador del Observatorio de Berlín y del Instituto de Física Técnica, fue el descubridor de los rayos positivos o canales e introdujo el término «rayos catódicos». Estudió también los espectros atómicos.

Profesor de física en la Universidad de Berlín desde 1888, Eugen Goldstein llevó a cabo, con la ayuda de la Academia alemana de Ciencias, numerosos experimentos sobre las descargas eléctricas en el vacío que le llevaron al descubrimiento de los rayos canales. El estudio de las trayectorias de tales rayos conduciría en 1913 a Thomson y a Aston al descubrimiento de los isótopos. Goldstein hizo la primera comunicación de su descubrimiento a la Academia de Berlín en 1886 y prosiguió sus investigaciones sobre el mismo tema hasta aproximadamente 1915. En 1930 sus estudios, que se encontraban diseminados en publicaciones alemanas, fueron reunidos y publicados por Gehrcke con el título de Rayos Canales.

Goldstein observó que, al producirse una descarga eléctrica en un tubo que contuviera un gas rarificado, empleando como electrodo negativo (cátodo) una lámina metálica normal al eje del tubo y provista de unos agujeritos, se veían partir de los propios agujeros brillantes rayas rectilíneas dirigidas a la parte opuesta a la ocupada por el electrodo positivo (ánodo). Si el gas contenido en el tubo era aire, las rayas presentaban un hermoso color amarillo. La forma rectilínea hizo en seguida pensar en rayos que se propagasen en línea recta. Goldstein dio entonces a estas rayas el nombre de rayos canales, queriendo con ello significar que salían de los canales practicados en el cátodo.

Este curioso nombre (que debía ser provisional, en espera de que se revelase la naturaleza del fenómeno) se impuso en el uso y ha pasado al vocabulario científico internacional. Del hecho de que dos haces de rayos canales puedan cruzarse sin estorbarse, y del hecho de que no parecían influenciables por medio de campos eléctricos ni magnéticos, Goldstein excluyó que se pudiese tratar de partículas de materia cargadas de electricidad y lanzadas a grandes velocidades. Pero luego se demostró que tal punto de vista era equivocado, y hoy se sabe que los rayos están constituidos de partículas cuyo peso es del orden del átomo y que, formados en las proximidades del cátodo, atraviesan los agujeritos a velocidades altísimas, y continúan propagándose en línea recta por inercia.

Modelo Atómico de Rutherford

En 1911, Rutherford introduce el modelo planetario, que es el más utilizado aún hoy en día. Considera que el átomo se divide en: 

· Un núcleo central, que contiene los protones y neutrones (y por tanto allí se concentra toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo).

· Una corteza, formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo en órbitas circulares, de forma similar a como los planetas giran alrededor del Sol. 

Los experimentos de Rutherford demostraron que el núcleo es muy pequeño comparado con el tamaño de todo el átomo: el átomo está practicamente hueco.

Insuficiencias del modelo de Rutherford:

Se contradecía con las leyes del electromagnetismo de Maxwell, las cuales estaban ampliamente comprobadas mediante numerosos datos experimentales. Según las leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (como es el electrón) debería emitir energía continuamente en forma de radiación, con lo que llegaría un momento en que el electrón caería sobre el núcleo y la materia se destruiría; esto debería ocurrir en un tiempo muy breve. 

Ernest Rutherford

 Ernest Rutherford (Nelson, Nueva Zelanda, 1871-Londres, 1937) Físico y químico británico. Tras licenciarse, en 1893, en Christchurch (Nueva Zelanda), Ernest Rutherford se trasladó a la Universidad de Cambridge (1895) para trabajar como ayudante de JJ. Thomson. En 1898 fue nombrado catedrático de la Universidad McGill de Montreal, en Canadá. A su regreso al Reino Unido (1907) se incorporó a la docencia en la Universidad de Manchester, y en 1919 sucedió al propio Thomson como director del Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge.

Por sus trabajos en el campo de la física atómica, Ernest Rutherford está considerado como uno de los padres de esta disciplina. Investigó también sobre la detección de las radiaciones electromagnéticas y sobre la ionización del aire producida por los rayos X. Estudió las emisiones radioactivas descubiertas por H. Becquerel, y logró clasificarlas en rayos alfa, beta y gamma.

James Chadwick

James Chadwick (Manchester, 1891 - Cambridge, 1974) Físico inglés, premio Nobel de Física en 1935 por el descubrimiento del neutrón. Estudió bajo la tutela de Rutherford en la Universidad de Manchester, donde se licenció en 1911. Viajó a Berlín para ampliar su formación, esta vez bajo la dirección de Geiger. Sus investigaciones se vieron paralizadas a causa de la Primera Guerra Mundial.

En 1919, Chadwick volvió a Cambridge y prosiguió su colaboración con Rutherford, quien había descubierto en 1917 la desintegración atómica artificial al estudiar el átomo de nitrógeno y continuaba trabajando con otros elementos ligeros. Rutherford había teorizado sobre la existencia de nuevos núcleos atómicos, formados en su concepción por protones y electrones.

En 1932, durante el estudio de una radiación detectada por W. Bothe (1891-1957), logró identificar sus componentes como partículas con una masa equivalente a la del protón, pero carentes de carga, descubriendo así la existencia de los neutrones, componentes del núcleo atómico junto con los protones, y que harían posible el descubrimiento de la fisión atómica. Chadwick dio a conocer sus trabajos en la revista Nature; sin embargo, no se ocupó de la función del neutrón en el núcleo atómico, trabajos de los que se hizo cargo, casi de forma inmediata, el físico alemán Werner Heisenberg, y que supusieron el comienzo de la física cuántica.