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) 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.
Inmerso en sus investigaciones sobre el átomo y la Mecánica
cuántica, Niels Bohr enunció, en 1923, elprincipio 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.
