En 1913, Niels Bohr publicó una serie de tres artículos que cambiaron para siempre la forma en que entendemos la materia. No se trató de un hallazgo aislado ni de una hipótesis extravagante, sino de una construcción gradual y argumentada que dio lugar a una imagen revolucionaria: el átomo cuántico. Mucho antes de que se hablara de modelos atómicos en los libros de texto, Bohr proponía que los electrones no se movían libremente, sino que obedecían reglas precisas, casi misteriosas, vinculadas a una nueva constante que comenzaba a tomar protagonismo: la constante de Planck. Aquella trilogía fue el nacimiento formal de una nueva física.
Al leer los tres artículos consecutivos que Bohr publicó en Philosophical Magazine, se nota una progresión pensada. El primero explica cómo se liga un electrón al núcleo. El segundo, cómo se organizan sistemas con un solo núcleo. El tercero, cómo se forman moléculas cuando hay más de uno. Más que tres artículos aislados, Bohr ofrecía una teoría secuencial. Como si se tratara de capítulos de una serie bien escrita, cada entrega agregaba una capa de profundidad, dejando atrás los modelos clásicos y abriendo paso a una física dominada por el concepto de estados estacionarios, cuantos de energía y estabilidad dinámica no clásica.
El nacimiento del átomo cuántico
En su primer artículo, Bohr parte de una idea entonces radical: las leyes clásicas no son válidas para describir los sistemas atómicos. Propone que, aunque los electrones giren alrededor del núcleo siguiendo órbitas circulares o elípticas, no lo hacen como planetas obedeciendo la gravedad, sino bajo nuevas reglas que incorporan la constante de Planck hh. Bohr impone una condición: solo son posibles aquellas órbitas donde el momento angular del electrón sea un múltiplo entero de h/2π. Esto es crucial: introduce una restricción cuántica a un sistema que, hasta entonces, se consideraba continuo.
La fórmula que obtiene para el espectro del hidrógeno es:
En ella se reproducen los resultados empíricos conocidos, pero con una base física. Aquí Bohr conecta el mundo discreto (los niveles de energía) con la emisión de luz. Cada transición del electrón implica un salto entre órbitas permitidas, y la diferencia de energía se emite como un fotón. A esta idea la acompaña una precisión sorprendente: al calcular los valores con las constantes físicas conocidas, obtiene una frecuencia que coincide con los datos experimentales de Balmer.
Sistemas con un solo núcleo: organización y estabilidad
En el segundo artículo, Bohr se centra en los átomos con varios electrones, pero aún con un solo núcleo. Introduce una disposición de los electrones en anillos concéntricos, cada uno con su propio número de partículas y su frecuencia. La clave aquí no es solo el equilibrio dinámico clásico, sino la estabilidad cuántica. Para asegurarla, Bohr requiere que las configuraciones minimicen la energía total bajo la restricción del momento angular constante. Esto va más allá de la mecánica newtoniana: es una propuesta híbrida, donde las leyes de Newton funcionan, pero se subordinan a una regla cuántica.
Además, examina cómo se pueden añadir electrones de manera progresiva, considerando tanto la atracción del núcleo como la repulsión entre ellos. A partir de este modelo, Bohr explica la existencia de configuraciones estables como la del helio (dos electrones) y sugiere límites para el número de electrones por anillo. La estructura de capas, característica de la tabla periódica, empieza a perfilarse tímidamente. La estabilidad de cada sistema se analiza desplazando ligeramente los electrones y observando si la energía aumenta o disminuye, como se indica en su análisis de los desplazamientos perpendiculares al plano del anillo.
Moléculas y sistemas con varios núcleos
El tercer artículo es quizá el más ambicioso. Bohr se adentra en la formación de moléculas a partir de núcleos múltiples, un paso fundamental para entender la química desde la física. La estrategia es sencilla en apariencia: estudiar cómo se comportan dos núcleos positivos cuando un anillo de electrones gira alrededor de la línea que los une. Aunque el modelo es simplificado (asume simetría y órbitas circulares), los resultados son reveladores.
Bohr muestra que para ciertas configuraciones, como dos núcleos con un anillo de dos electrones, se obtiene un sistema estable que representa una molécula de hidrógeno neutra. Calcula su energía, el radio del anillo y la frecuencia de vibración. Incluso compara el valor teórico con los datos experimentales de Langmuir sobre la energía de formación del H2, señalando que, aunque el valor teórico es algo inferior, está en el orden correcto: “el valor es del orden correcto de magnitud, aunque inferior al experimental de 13×104cal”.
Este modelo molecular también permite a Bohr explicar por qué los átomos se atraen y forman enlaces químicos. Al seguir paso a paso cómo dos átomos de hidrógeno se aproximan, giran sus electrones en sincronía y terminan en una configuración estable, Bohr anticipa el concepto de enlace covalente. "Durante el proceso, las fuerzas del sistema habrán hecho trabajo contra las fuerzas exteriores", afirma en el artículo. Esta frase resume su interpretación del "enlace": no es una mera atracción, sino un equilibrio dinámico donde los electrones juegan un papel estructural.
De la teoría atómica a la física del enlace
En este último artículo también se analiza la posibilidad de estados ionizados, como el ión hidruro (H⁻) o el ión molecular positivo (H₂⁺). Bohr advierte que ciertos sistemas, como un solo electrón entre dos núcleos, son inestables para perturbaciones fuera del plano orbital, lo que limita su existencia a condiciones muy específicas. Sin embargo, también señala que algunos resultados experimentales, como los de J. J. Thomson sobre rayos positivos, podrían interpretarse como indicios de estos iones fugaces.
A pesar de la sencillez del modelo (y de las limitaciones de la época), Bohr consigue vincular sus predicciones con fenómenos observables. La estructura del átomo cuántico propuesta aquí anticipa muchos desarrollos futuros: desde los niveles energéticos discretos hasta los principios que guiarán la teoría del enlace de Lewis o los orbitales moleculares. En particular, su insistencia en que los electrones conservan su momento angular durante las interacciones marca una pauta que la mecánica cuántica formalizaría años después.
Referencias
- Niels Bohr. On the Constitution of Atoms and Molecules. Part I. Philosophical Magazine Series 6, Volume 26, 1913, Pages 1–25. DOI: 10.1080/14786441308634955.
- Niels Bohr. On the Constitution of Atoms and Molecules. Part II. Philosophical Magazine Series 6, Volume 26, 1913, Pages 476–502. DOI: 10.1080/14786441308634993.
- Niels Bohr. On the Constitution of Atoms and Molecules. Part III. Philosophical Magazine Series 6, Volume 26, 1913, Pages 857–875. DOI: 10.1080/14786441308635031.
