NeoFronteras

Átomos de Bohr milimétricos

Área: Física — Viernes, 11 de Julio de 2008

Usando haces de luz láser unos físicos consiguen que un electrón localizado “orbite” lejos del núcleo de un átomo de potasio.

Foto
Foto: Jeff Mestayer.

Todos hemos estudiado en la escuela o el instituto el modelo de átomo de Bohr. En su simpleza estaba su belleza. Quizás algunos encontraron su afición por la Física gracias a ese modelo, que permitía entender de manera sencilla y simple las propiedades de los átomos. Cuando hoy en día dibujamos un átomo como con un núcleo rodeado de elipses con electrones puntuales estamos realizando una representación del átomo de Bohr.
Ahora, y después de casi un siglo desde que el físico danés Niels Bohr sugiriera su modelo de “sistema planetario” para explicar el átomo de hidrógeno, unos científicos de un equipo internacional consiguen crear átomos gigantes de un milímetro de diámetro que son lo más parecido hasta el momento a dicho modelo. Los resultados han sido publicados en Physical Review Letters.
Bohr propuso su modelo teórico en 1913, en él se sugería que los electrones orbitaban el núcleo atómico de manera similar a como los planetas orbitan alrededor del Sol. Además añadía una serie de reglas que limitaban las posibles órbitas y decían cómo se emitía y absorbía la radiación electromagnética. El modelo proporcionaba unos resultados que estaban bastante cerca de lo que se podría medir experimentalmente, explicando propiedades ópticas y químicas.
El modelo de Bohr no fue tan exitoso a la hora de explicar el comportamiento de elementos más pesados que el hidrógeno, pero dio lugar a una comprensión más profunda del comportamiento de la materia a esas escalas que finalmente desembocó en el nacimiento de la Mecánica Cuántica. La noción de electrones viajando por órbitas discretas fue finalmente desplazada después por la idea de la Mecánica Cuántica en la cual los electrones no tienen posiciones precisas y están distribuidos según dicta su función de ondas.
Según Barry Dunning, de la Universidad de Rice y uno de los autores del experimento actual, para sistemas lo suficientemente grandes los efectos cuánticos de la escala atómica pasan a ser efectos cuasiclásicos descritos por el modelo de Bohr. Usando átomos de Rydberg (átomos altamente excitados) y campos eléctricos pulsados dice haber manipulado el movimiento del electrón, y creado estados en los que hay órbitas circulares similares a las del modelo de Bohr.
Usando láseres los investigadores (un equipo internacional de diversas instituciones) excitaron átomos de potasio hasta niveles muy altos de energía, pero sin ionizarlos del todo. Gracias al uso cuidadoso de una serie de impulsos eléctricos ajustados especialmente para este fin consiguieron persuadir a los átomos para alcanzar un estado o configuración con electrones “localizados” orbitando lejos del núcleo atómico. De hecho, estos átomos son gigantes, con diámetros cercanos a un milímetro (ver foto).
Según Dunning las medidas muestran que los electrones permanecen localizados durante varias órbitas y se comportan como partículas clásicas. Según él este trabajo tiene aplicaciones potenciales en la próxima generación de computadores y en estudios del caos clásico y cuántico.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa en Rice University.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. lluís:

    ¿Y si se comportan como partículas clásicas, sigue valiendo el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno, aunque se trate en el experimento de un átomo de potasio? ¿Qué pasa entonces con la mecánica cuántica? ¿En qué quedamos, órbitas discretas, o posiciones y distribuciones según funciones de onda?

  2. Atanasio:

    Es la verificación experimental directa del “Principio de Correspondencia”. Gracias.

  3. NeoFronteras:

    Nunca sabemos cómo “es” la Naturaleza, simplemente tenemos modelos que la describen mejor o peor bajo ciertos experimentos.

  4. lluís:

    De acuerdo,el principio de correspondencia. Pero eso de que la Física Clásica deba de aparecer como una aproximación a la mecánica cuántica cuando los sistemas van aumentando de tamaño, parece una triquiñuela “ad-hoc”. Aunque quizá no lo sea por lo que se desprende de ese experimento. Por otra parte, eso de que nunca sabremos como “es” la naturaleza, es posible; pero lo encuentro un tanto pesimista. “Nunca” me parece mucho tiempo.

  5. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    No es una cuestión de pesimismo, sino de epistemología. El método científico es así. La Naturaleza es inasible, sólo nos aproximamos a ella a través de modelos que pueden ser cada vez más o menos precisos. Es un grave error confundir la realidad con los modelos que pretenden describirla. El modelo es un ente intelectual, mientras que el fenómeno que pretende representar es real.
    Además debemos de ser humildes y pensar que quizás no contemos con todas las capacidades como para desvelar todos los secretos del Universo. Incluso ya sabemos que habrá cosas que nunca podremos saber al haber impuesto la Naturaleza límites al propio conocimiento (no somos entes externos al Universo, sino que formamos parte de él).
    Hay que asumir también que nos llegará la muerte sin saber todas las respuestas a nuestras preguntas (y sólo teniendo en cuenta el mundo material).
    Aunque podemos consolarnos con la idea de que somos afortunados de saber ahora cosas que ni Newton ni Einstein sabían en su día. Me pregunto si la gente corriente es consciente de esta maravillosa situación.

  6. Atanasio:

    Apreciados Lluís y Neo: Creo que ambos tienen razón en cierta medida. El Principio de Correspondencia fue acuñado como una regla heurística para orientar el desarrollo de la naciente Mecánica Cuántica. Así que se trata de un principio de raíz epistemológica con consecuencias en la teoría física y, en cierto sentido, puede no ser satisfactorio para el espíritu científico más purista. Yo, que soy uno de esos, coincido en esto con Lluís. Hubiéramos preferido que la Mecánica Cuántica se hubiera postulado de manera totalmente autónoma desde un comienzo y que su comportamiento en el límite clásico fuera una consecuencia derivada históricamente de sus premisas (como las ondas electromagnéticas en la teoría de Maxwell). Pero no fue así, sin duda por razones históricas imposibles de eludir: la Mecánica Cuántica fue “construida” precisamente para coincidir con la clásica en el límite de los altos números cuánticos. De manera que el presente experimento no podría, en rigor, considerarse una “verificación” de la teoría. Es la verificación de una suposición o postulado hecho por Bohr con fines heurísticos, como se ha dicho; es decir, de una premisa de la teoría, no de una consecuencia. Sin embargo, dicho postulado de Bohr no es gratuito; no es un conejo sacado de un sombrero para “salvar las apariencias”: Es un hecho que, si el Universo es consistente lógicamente, las teorías deben ir “encajando” las unas con las otras, por lo menos en los aspectos cuantitativos y experimentales, ya que no necesariamente en los interpretativos. Es una virtud que una teoría logre demostrar, sin salir de sí misma, que en el límite coincide con las anteriormente establecidas (como ocurre con la Relatividad). Pero dada la complejidad del Universo y nuestras débiles fuerzas, como hace notar Neo, a veces tenemos que resignarnos a renunciar a la constatación feliz -desde la base teórica- de esa convergencia, y más bien a tomarla como premisa empírica. Con el Principio de Correspondencia, la Mecánica Cuántica renunció a una prueba para ganar una regla heurística. Poco importa, puesto que pruebas le sobran. (No ocurre lo mismo con la Relatividad General, donde las pruebas no abundan y demostrar desde dentro de la teoría su buen comportamiento en el caso límite sí que es ganancia.) Muchas gracias.

  7. NeoFronteras:

    Estimado Atanasio:
    Independientemente de cómo la Mecánica Cuántica fue introducida históricamente, la posterior regularización de la teoría se hizo con una base postulacional. Esquema que todavía se utiliza hoy en día. El único inconveniente es, una vez más, el postulado relativo al colapso de la función de ondas, que da motivo a diversas interpretaciones.
    En cuanto a la RG, sí que hay pruebas experimentales de su bondad descriptiva, como la noticia justamente anterior hace notar. Tiene un límite newtoniano, cosa lógica al ser una teoría clásica, pero su cuantización es todavía materia de estudio. Aunque se están haciendo grandes esfuerzos en la persecución de esta meta, por ejemplo desde la teoría cuántica de bucles.

  8. Pepe:

    Hola. A quienes no los hayan leído, os recomiendo “La estructura de las revoluciones científicas” de Kuhn, “La metodología de los programas de investigación” de Imre Lakatos y “Contra el método” de Paul Feyerabend.

  9. lluís:

    De los libros recomendados leí hace tiempo el de Paul Feyarabend. La verdad es que mis ideas sobre la filosofía cuando se adentra en el terreno de la investigación científica, son más bien parecidas a las de Feynman o Weinberg (poco o nada favorables). Precisamente Weinberg en su recomendable libro “El sueño de una teoría final” dedica todo un capítulo a criticar determinados posicionamientos filosóficos respecto a la ciencia. El título de ese capítulo es significativo.”Contra la filosofía”. Y en el arremete no sólo contra Feyarabend sino que también critica a Khun, del que tras decir que en su libro hay mucho que encaja con su experiencia en la ciencia, añade que: “En el último capítulo Khun intenta atacar la idea de que la ciencia hace progresos hacia verdades objetivas cuando éste dice que para ser más precisos tendríamos que renunciar a la noción, explicita o implícita de que los cambios de paradigma llevan a los científicos y a aquellos que aprenden de ellos, cada vez más cerca de la verdad”. Por otro lado, acertó plenamente Wittgenstein, cuando comentó que “nada me parece menos probable que el que un científico o matemático que me lea quede seriamente influenciado en su forma de trabajar”. Sólo faltaría, añadiría yo.Y todo esto sin descartar el valor de los primeros atomistas griegos, pero de eso hace mucho tiempo.

  10. NeoFronteras:

    Estimado Pepe:
    A su lista yo añadiría los escritos de Karl Popper, como “La lógica de la investigación científica” que es además previo a los demás.

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