martes, 22 de junio de 2021

El modelo atómico moderno

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El modelo mecánico cuántico ondulatorio es el epítome de todos los modelos atómicos, y representa la forma moderna con la que los científicos “visualizan” al átomo, sin embargo, existe un problema fundamental en la visualización de dicho átomo. Aun cuando a partir de la ecuación tridimensional de Schrödinger pueden aproximarse las formas de los diferentes orbitales y que cualquiera pensaría que la forma del átomo se desprendería de la simple superposición de las formas de dichos orbitales, tal como hacemos con las órbitas en modelos anteriores, los físicos y los químicos modernos aún se encuentran debatiendo sobre la realidad física de los orbitales.

Figura 23.   Príncipe Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) séptimo duque de Broglie, y par de Francia. Fue un físico francés conocido a veces en castellano como Luis de Broglie. Pertenecía a una de las familias más distinguidas de la nobleza francesa, y era el séptimo duque de Broglie, originario del Piamonte. El apellido original italiano, Broglia, fue adaptado al francés en 1654, por el fundador de la Casa de Broglie. Sus antepasados habían destacado en la política, la diplomacia o el ejército. Cursó estudios de física teórica en la Sorbona, así como de historia de Eslovenia, pues pensaba utilizarlos en su carrera diplomática. A los dieciocho años, después de terminar un trabajo de investigación histórica, se decidió a estudiar física, doctorándose en 1924. Fue profesor de física teórica en la Universidad de París (1928), en el Instituto Henri Poincaré, hasta 1962. Miembro de la Academia de Ciencias (1933) y de la Academia Francesa (1943), secretario permanente de la Academia de Ciencias (1942) y consejero de la Comisión de Energía Atómica Francesa (1945). Fue galardonado en 1929 con el Premio Nobel de Física, por su descubrimiento de la naturaleza ondulatoria del electrón, conocida como hipótesis de Broglie. También recibió la Legión de Honor, en 1961 fue nombrado Caballero de la Gran Cruz de la Legión de Honor. Louis-Victor de Broglie sugirió un laboratorio multinacional, un sugerencia que llevado a Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). De Broglie considera como un cofundador de CERN.

De cierta forma nos pasa como a Planck con su hipótesis cuántica, el solo hecho de que las matemáticas funcionen, no implica que la entidad matemática represente alguna estructura real, por lo que las formas para los orbitales simplemente son la respuesta matemática de una ecuación, lo que nos lleva nuevamente al punto de partida, en la actualidad el átomo se visualiza como un conjunto de ecuaciones matemáticas frías que no tienen interés en generar un modelo visual del átomo que sea fácilmente digerible por la cultura popular. Sin embargo, a medio camino de la formulación de este modelo se generó lo que tal vez sea el último modelo dibujable gracias a la hipótesis de de Broglie.

 Por otro lado, el modelo del átomo moderno no puede ser adjudicado a un solo autor en concreto como si lo hemos hecho en modelos anteriores, tal vez la figura más prominente sea Erwin Schrödinger y algunas veces lo referenciemos simplemente como el modelo de Schrödinger, pero a este modelo sirvieron las investigaciones de muchos autores, y tal vez la imagen más representativa sea la foto de la quinta conferencia de Solvay.

En 1924 el estudiante de doctorado Louis-Victor-Pierre-Raymond, séptimo duque de Broglie propuso en su tesis de doctorado que el comportamiento dual de la luz también podía ser aplicado a los electrones. Esta sugerencia era altamente especulativa debido a que ningún experimento se había encontrado con tal fenómeno aún. ¿Que lo llevó a esta idea tan extraña? Fue como un relámpago que vino de la nada.

Después de la primera guerra mundial de Broglie pasó mucho tiempo pensando a cerca de la naturaleza dual de la luz expuesta de forma matemática por parte de Planck, Einstein y Bohr. Entonces simplemente se le ocurrió la idea de girar el problema y aplicar el mismo dualismo a los electrones. Ayunque esas son de hecho las palabras de de Broglie evidentemente no lo sacaba del sobrero, la relación entre electrones y cuantos de luz había sido demostrado empírica y matemáticamente años antes gracias al trabajo de Einstein y colaboradores a cerca del efecto fotoelectrico de los metales. Dado que el universo visible consiste en materia y ondas electromagnéticas, de Broglie afirmó que los electrones podían comportarse como ondas, en búsqueda de una teoría de gran simetría del todo. De hecho, la hipótesis de de Broglie era por mucho más general, y establecía que toda partícula acelerada poseía una función de onda asociada.

Estas fórmulas matemáticas sentaron la base de la mecánica de ondas, es decir una rama de la física que estudia las partículas como si se tratara de ondas. Las ideas de de Broglie eran sugestivas, pero encontraron problemas rápidamente. En cualquier caso, las ideas de de Broglie creaban dos conclusiones, la primera era que el modelo atómico de Bohr Sommerfeld debía representar al electrón con una naturaleza ondulatoria y la segunda era que experimentalmente los electrones debían manifestar la propiedad de las ondas de luz conocida como difracción al someterse a un experimento de doble rendija donde pudiera observarse un patrón de interferencias.

Aunque de vida corta, este modelo del átomo representaba como ondas que se extendían estacionariamente alrededor de la órbita de un átomo de Bohr-Sommerfeld, la analogía más cercana era la de tener una órbita hecha de un anillo metálico que se golpeaba con un martillo, lo cual provocaba una vibración a lo largo de todo el anillo. En el caso del modelo atómico el anillo era el propio electrón que ondulaba formando la órbita. Aunque rara, esta imagen del átomo puede encontrarse en algunas fuentes didácticas como en el capítulo de Cosmos, una aventura de tiempo y espacio “Las Hermanas del Sol” (Hanich et al., 2014). El único problema es que la onda-electrón se seguía representando de forma plana.

Figura 24.   Modelo atómico de Broglie-Bohr-Sommerfeld En este caso la órbita no es un carril imaginario, sino la distribución de un electrón, pero este electrón no se modela como un proyectil, sino como una onda estacionaria que se extiende por toda la órbita.

Este es tal vez el modelo atómico más cercano a la interpretación moderna, que puede ser captada por alguien adaptado únicamente a los átomos de Rutherford, ya que después de que los matemáticos se apoderaran del átomo, este se convertiría en un conjunto de ecuaciones frías con pocas intenciones de representar entidades reales, cuestión que molestaría a de Broglie hasta la médula.

Luis de Broglie se encontró rápidamente con un problema fundamental de su hipótesis de doctorado justo durante su defensa de tesis ante uno de sus evaluadores Jean Perrin, el problema radicaba en la posibilidad de medir la naturaleza ondulatoria de los electrones. El comportamiento ondulatorio de la materia no se observa fácilmente, en el mundo macroscópico la materia se comporta como una onda o como una partícula, pero no existen intermedios, un proyectil al viajar sigue siendo un proyectil, no se transforma súbitamente en un rayo de plomo. Entonces, si de Broglie tenía razón, ¿porque no se había observado la onda asociada de cualquier partícula acelerada?

Para responder esta pregunta hay que tener en cuenta que la naturaleza ondulatoria de la luz también había sido pasada por alto hasta el desarrollo de un modelo experimental de doble rendija de un tamaño suficiente para concordar con las cortas longitudes de onda de la luz visible. Si las dos rendijas del experimento de doble rendija son muy grandes y se encuentran demasiado alejadas unas de otras en comparación con la longitud de la onda que se pretende difractar no se va a observar nada interesante.

Para que la difracción pueda observarse, el tamaño de la doble rendija debe ser del mismo o menor orden de magnitud que la longitud de onda, y para la luz estamos hablando del orden de los cientos de nanómetros. En consecuencia, el experimento de la doble rendija para la luz requería cristales, dado que las ondas electrónicas vibran en longitudes de rayos x se requería aún mejores tecnologías que apenas estaban surgiendo en otro continente mientras de Broglie planteaba sus ideas.

En una nota breve de agosto de 1925 Walter Elsasser de forma independiente a de Broglie propuso que la naturaleza ondulatoria de los electrones podría detectarse si se los hacia pasar a baja velocidad por medio de una tecnología de cristales actuando como la doble rendija. Debemos recordar que en esta época las publicaciones de las revistas especializadas eran algo un poco más lento y de círculos cerrados, las revistas eran publicadas por miembros de los mismos círculos universitarios y debían transmitirse casi de que boca en boca a medida que los científicos viajaban o entablaban correspondencia con otros científicos durante las convenciones.

El asunto quedaría saldado hasta 1927 cuando Davisson y Germer se encontraban estudiando la reflexión de electrones desde un objetivo de níquel en los laboratorios de industrias Bell “que prestaban el servicio de telefonía en USA”.  Davisson y Germer no tenían idea de que los electrones pudieran comportarse como ondas debido a que no tuvieron contacto con Elsasser o con de Broglie, aunque sí que se encontraron de frente con dicho fenómeno.

Después de calentar el objetivo de níquel para remover la capa de óxido que se había acumulado por accidente después de que se rompiera su sistema de vacío, encontraron una dispersión de electrones que mostraba máximos y mínimos, es decir una difracción electrónica. La superficie de su objetivo de níquel se había enfriado y en el proceso había generado cristales relativamente grandes. Reconociendo la importancia de este afortunado hallazgo, prepararon un objetivo compuesto de un único cristal y estudiaron la difracción electrónica generada por el.

No tocaremos las cuestiones matemáticas del asunto, sin embargo, si hay que recalcar que los descubrimientos experimentales del experimento de Davisson y Germer demostraron dos cosas, la primera era que la idea esencial de de Broglié era correcta, y segundo que las ecuaciones de de Broglie también lo eran, así los cálculos que había hecho de Broglie anteriormente ajustaron casi perfectamente con los datos experimentales.

De esta manera se llegó a una conclusión experimental y teórica con profundas implicaciones para los modelos del átomo, cuando una partícula con masa real se mueve a velocidades cercanas a la de la luz manifestará su onda asociada o sus propiedades ondulatorias. Tan solo tres años más tarde se demostraría que partículas con mayor masa como los núcleos de helio manifiestan también propiedades ondulatorias. Sin embargo, tan pronto la hipótesis de de Broglie fue aceptada, ahora quedaba el problema de describir al electrón, con sus cuatro estados cuánticos en términos ya no de partículas, sino de ondas estacionarias alrededor del núcleo.

Bueno, si el electrón se describe como una onda estacionaria, entonces, ¿qué deberíamos saber de las ondas estacionarias?

Una vez solucionado el cuestionamiento de si los electrones se comportan como ondas, quedaba el problema de reinterpretar el modelo del átomo de Bohr-Sommerfeld a una nueva escala, una escala no bidimensional, pero las matemáticas involucradas se le escapaban a personajes como de Broglie. Dado que el objeto del presente curso es meramente introductorio y descriptivo dejaremos la mayoría de las fórmulas de lado y nos enfocaremos lo más posible en los conceptos y el desarrollo histórico.

Ya sabemos que los electrones se comportan como ondas, la cuestión es ¿Qué tipo de ondas?, hasta este punto hemos visto de tipo viajero, tales como las ondas mecánicas del sonido o las del agua, u ondas electromagnéticas como la luz, todas ellas comparten el hecho de que se generan en un punto y se desplazan indefinidamente hasta que se dispersan totalmente y se vuelven imperceptibles debido al efecto Doppler.

Sin embargo, existen otros tipos de onda, las ondas que no se desplazan, a estas ondas las denominamos estacionarias, como las ondas de la cuerda de una guitarra, las cuales tienen puntas fijas. Las ondas estacionarias son la clave del asunto ya que el modelo del átomo de hidrógeno con la interpretación de de Broglie implica que el electrón se dispersa ondulatoriamente en lo que sería su “órbita”.

Figura 25.  Ondas de materia. Las vibraciones de una onda estacionaria genera lóbulos o máximos y nodos o mínimos dependiendo de la energía asociada y su armonicidad, a mayor energía más lóbulos.

Las ondas estacionarias también exhiben otros tipos de comportamiento familiar como lo podemos apreciar en la imagen lateral. A medida que incrementamos la energía el patrón ondulatorio cambia de forma cuantizadas desde n= 1 hasta un tope máximo que depende de la energía aplicada. Adicionalmente las ondas estacionarias nos muestran otra característica que será importante posteriormente, y es la presencia de máximos de onda que llamaremos lóbulos y mínimos de onda que llamaremos nodos.

El éxito de las relaciones de de Broglie en predecir el comportamiento de los electrones sometidos a un experimento de doble rendija, y la realización de que las ondas estacionarias generan un comportamiento cuantizados, impulsó el desarrollo de una teoría ondulatoria para los electrones que fuera análoga a la teoría ondulatoria de la luz. Lamentablemente la habilidad matemática para lograrlo se le escapó a de Broglie, y en consecuencia nuestra historia salta a dos autores diferentes, Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg.

Los primeros años de la carrera de Schrödinger se basaron en familiarizarse con las ideas de la mecánica cuántica que ya llevaban casi 15 años circulando en las comunidades científicas gracias al trabajo de los cuánticos de primera generación como Planck, Einstein, Bohr y Sommerfeld y muchos otros. Este conocimiento le permitió desarrollar su trabajo en algunos problemas de física teórica, aunque el físico austriaco aún no estaba preparado para alejarse de los métodos tradicionales de la física clásica.

Sus primeros trabajos importantes fueron publicados pocos años después de finalizada la primera guerra mundial. Durante estos años se dedicó a afianzar su carrera profesional y adquirir una plaza en la prestigiosa universidad de Zurich. En 1921 Schrödinger terminó su primer artículo sobre la teoría atómica y los fenómenos cuánticos, específicamente un marco de referencia a la interacciones de los electrones en el modelo atómico de Bohr-Sommerfeld así como algunos aspectos del comportamiento de los espectros de los metales alcalinos.

Figura 26.   Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887–1961) fue un físico y filósofo austríaco, naturalizado irlandés, que realizó importantes contribuciones en los campos de la mecánica cuántica y la termodinámica. Recibió el Premio Nobel de Física en 1933 por haber desarrollado la ecuación de Schrödinger, compartido con Paul Dirac. Tras mantener una larga correspondencia con Albert Einstein propuso el experimento mental del gato de Schrödinger que mostraba las paradojas e interrogantes a los que abocaba la física cuántica.

De particular importancia para él fue la introducción de las ideas relativistas en la teoría cuántica. En 1922 analizó lo que hasta entonces se describirá como orbitas clásicas elípticas bidimensionales desde un punto de vista geométrico, usando métodos desarrollados por el matemático Herman Weyl y desde entonces el átomo dejaría de ser una entidad plana. Este trabajo que mostraba como las “órbitas cuánticas” se encontraban asociadas a ciertas propiedades geométricas fue un paso importante en la predicción del comportamiento de la mecánica de las ondas estacionarias de los electrones alrededor del núcleo.

Hacia finales de 1926 Schrödinger publicó una serie de artículos prestigiosos entre los cuales se encontraba la formulación de la actualmente famosa ecuación de la onda, que lleva su nombre, la ecuación de Schrödinger (Schrödinger, 1926c, 1926b, 1926a). Algunos meses antes Werner Heisenberg había publicado una teoría aparentemente diferente para explicar los mismos fenómenos cuánticos del átomo. Eventualmente Schrödinger demostró que ambas teorías eran equivalentes, en el sentido de que ambas podían derivarse mutuamente a partir de su contraparte. Esta demostración puede parecer extraña a nosotros ya que las habilidades matemáticas para resolver incluso el más simple de estos problemas son enormes. Este detalle resalta un detalle que se menciona en el documental el universo mecánico y más allá (Blinn & Goodstein, 1985), para poder describir el átomo con precisión los físicos debieron sacrificar en el altar de la ciencia la posibilidad de poseer una imagen intuitiva del átomo. A partir de aquí el dibujar un átomo se haría innecesario e imposible, los átomos de aquí en adelante se convertirían en una colección de ecuaciones matemáticas con pocas intenciones de generar una imagen análoga a alguna entidad real.

Por esa razón hacemos ejercicios de lápiz y papel para dibujar el átomo de Bohr, pero no para dibujar el de Schrödinger. En cualquier caso, de las dos teorías del átomo cuántico ondulatorio la más sencilla de entender, si es que podemos usar esa expresión, es la del propio Schrödinger, por eso es la más empleada, aunque del trabajo de Heisenberg se resaltan algunos conceptos importantes como el principio de incertidumbre.

En 1925 Schrödinger publicó su primer artículo “cuantización del problema del eigenvalor” en la cual se presenta su célebre ecuación. Este artículo es importante ya que muestra la solución cuántica completa para el átomo de hidrógeno, nuevamente el mismo elemento por el cual tuvo que iniciar debido a su simplicidad. Este artículo ha sido universalmente celebrado como uno de los logros más importantes de la mente humana en el siglo XX, creando una revolución en áreas como la física y la química aplicadas. Un segundo artículo fue publicado solo cuatro semanas después para resolver el problema del oscilador armónico cuántico, el rotor rígido y la molécula diatómica de hidrógeno, esta última lograría la primera descripción cuántica del enlace covalente. El tercer artículo demostró la equivalencia con la propuesta de Heisenberg. El último artículo ajustaba la complejidad matemática de la física cuántica de modo que las ecuaciones tuvieran órdenes de magnitud manejables (Schrödinger, 1926a, 1926b, 1926c). Estos artículos fueron el más grande logro de Erwin Schrödinger y la razón por la cual es recordado como uno de los más grandes físicos del siglo XX a la altura de Albert Einstein.

Poco después los problemas comenzaron, al igual que Planck el hecho de que las matemáticas cuadraran creaba conclusiones que el mismo Schrödinger no podía aceptar totalmente, una de estas conclusiones se resume en la archiconocida paradoja del gato cuántico en la caja o el gato de Schrödinger.

En la sección anterior mencionamos que Schrödinger logró resolver completamente el problema del hidrógeno atómico y del hidrógeno molecular, pero no mencionamos al resto de la tabla periódica, ¿será acaso que el tan prestigiado modelo mecánico cuántico solo logra explicar al hidrógeno? Y de ser así ¿de dónde salen las soluciones para la ecuación de onda que genera algunas interpretaciones famosas de los números cuánticos?

 Para todos los átomos excepto el hidrógeno, la ecuación de Schrödinger no puede resolverse con exactitud. A pesar de esto, es en el reino de la física de los átomos donde la ecuación de Schrödinger tiene su mayor éxito, debido a que la interacción electromagnética de los electrones entre unos y otros y con el núcleo atómico puede entenderse con facilidad.

De hecho, la ecuación aun cuando no da resultados exactos si puede arrojar resultados aproximados o probables empleando métodos de aproximación, o en nuestro caso con el acceso a poderosas herramientas informáticas, a simulaciones computarizadas para problemas cada vez más complejos. La precisión de las respuestas aproximadas para fenómenos experimentales es suficiente como para convertir a la ecuación de Schrödinger en una herramienta supremamente útil para poder describir a la realidad en términos matemáticos, lo cual es en ultimas el objetivo de las ciencias de la naturaleza desde los tiempos de Robert Boyle.

Evidentemente Schrödinger no tenía acceso a supercomputadoras, ni siquiera a una calculadora de panadero como llamamos en la actualidad a los más elementales de estos aparatos, pero los métodos de aproximación si eran accesibles, y de hecho la solución para el problema del hidrógeno le dio la clave a Schrödinger para poder formularlos, de lo contrario su teoría hubiera sido limitada tal como le paso al átomo de Bohr.

El modelo cuántico de Bohr es una imagen del átomo como un núcleo con electrones orbitando a su alrededor, el electrón al ser un proyectil posee cosas como cantidad de movimiento, dirección, velocidad y ubuicación, en el papel sería posible averiguar todo a cerca de este electrón clásico. Pero cuando un electrón es una onda que se encuentra disperso en toda la órbita la situación es complicada, la onda existe en toda la órbita al mismo tiempo, con mayor intensidad en sus máximos y menor en sus mínimos, pero no tiene una ubicación clara o una velocidad, ni mucho menos una dirección. Esto es una consecuencia del principio de incertidumbre, otra de las propiedades de las partículas de tamaño atómico que, como las ondas, no tienen analogía en el mundo macroscópico de pelotas y canicas.

Un año después de la hipótesis de de Broglie, Werner Heisenberg postuló el principio de incertidumbre.  El principio de incertidumbre establece que es imposible determinar simultáneamente la posición y la velocidad de un electrón, ya que como onda un electrón no poseería una posición definida en el espacio, y una dirección tampoco ya que las ondas estacionarias son precisamente eso, estacionarias. Lo mejor que se puede hacer para intentar encontrar un electrón alrededor de un núcleo es determinar su probabilidad de posicionamiento, es decir, la probabilidad de que en cierto espacio se encuentre el electrón la mayor cantidad del tiempo, y con encontrar no nos referimos a que la partícula electrónica esté allí realmente, sino a la posibilidad de aislar al electrón al colapsar su función de onda por medio de alguna intervención en su sistema.

De esta manera, tan el modelo ondulatorio de de Broglie como el principio de incertidumbre de Heisenberg terminaron por sepultar los intentos de describir “trayectorias” de los electrones a través del núcleo, “tal y como el modelo de Bohr lo había estado describiendo hasta entonces". En palabras que cualquier aficionado a los modelos planetarios del átomo pueda entender, no hay órbitas que sigan los electrones, ni siquiera podemos decir que los electrones se muevan alrededor del volumen, estos bien pueden cuantizarse de un lugar a otro todo el tiempo y lo único que podemos hacer es aproximar una respuesta, y debido a que la cuantización es aleatoria hay que emplear estadística.

La pregunta que surgía era ¿si no son órbitas, que es lo que Bohr y otros habían estado modelando y refiriendo como el número cuántico principal (n), el número azimutal (l), el número magnético (ml) y el número de rotasión (ms)?

Hemos llegado al punto en que debemos abandonar definitivamente el modelo mecánico que describe a los electrones girando alrededor del núcleo como si se tratara de un sistema solar. Los electrones se describen como ondas, y cuando se particulizan, lo hacen en posiciones cuyo espacio se describe, no como una trayectoria, si no como una posición fija en un volumen probable tridimensional, volumen que será descrito por la forma tridimensional de la ecuación de Schrödinger.

Figura 27.   Max Born (1882–1970) fue un matemático y físico alemán. Obtuvo el Premio Nobel de Física en 1954 por sus trabajos en mecánica cuántica y compartió este galardón con el físico alemán Walter Bothe. Posiblemente, la contribución más conocida a la física cuántica sea su interpretación probabilística de la función de Onda de Schrödinger. Según la misma, el cuadrado de la amplitud de dicha función es igual a la densidad de probabilidad del estado. Por ejemplo, en el caso de una función de onda que describa la posición de un electrón, el cuadrado de la amplitud será igual a la probabilidad de encontrar a dicho electrón en una posición determinada.

A diferencia de los demás modelos atómicos, el modelo moderno posee una imagen muy variable y que deriva exclusivamente de la resolución de la ecuación de Schrödinger para los tres primeros números cuánticos, la solución es tridimensional, es decir con forma de volúmenes, o como dirían mis estudiantes una fiesta de globos, que veremos en la siguiente sección.

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