Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (8 page)

Antes de 1900, el modelo que se había aceptado para la luz la consideraba como una forma de onda electromagnética que se movía a través del espacio. Varios descubrimientos realizados en el siglo
XIX
habían demostrado que un campo eléctrico variable produce un campo magnético, y que un campo magnético variable produce un campo eléctrico. Esta teoría de los campos es tan importante que volveremos a ella en el próximo capítulo, pero la idea resulta familiar después de haber jugado con juegos que tienen imanes de juguete; así, el campo del imán es aquella región en torno a él donde se ejerce su influencia magnética.

James Clerk Maxwell descubrió las ecuaciones que describen un par de campos variables que se desplazan juntos por el espacio; el campo eléctrico variable produce un campo magnético variable, y el campo magnético variable produce un campo eléctrico variable, y marchan juntos al paso. Ambos a la vez configuran una onda electromagnética. La luz, la radio y otras formas de ondas electromagnéticas están todas ellas descritas mediante las ecuaciones de Maxwell. La energía de la onda es suministrada por la energía introducida en el sistema al principio, por ejemplo, la corriente eléctrica que fluye por un cable para producir la incandescencia caliente de una bombilla eléctrica.

Todo esto era de lo más fino y elegante, y las ecuaciones de Maxwell constituyeron uno de los mayores triunfos de la física del siglo
XIX
. Sin embargo, había un problema. El considerar la luz sencillamente como una clase de onda no explicaba el tipo de radiación que realmente producen los objetos calientes. Creamos la radiación electromagnética, en última instancia, moviendo cargas eléctricas (de hecho, acelerando electrones). Pero si aplicamos el mismo tipo de reglas estadísticas que se aplican al modo en que las ondas se comportan en el mundo clásico —por ejemplo, las ondas sonoras que se obtienen al pulsar una cuerda de guitarra— resulta que un electrón acelerado tendría que producir un enorme número de ondas electromagnéticas con longitudes de onda muy cortas y difícilmente alguna con larga longitud de onda.

Planck encontró un modo de soslayar el problema tratando la radiación como si sólo pudiera ser emitida en paquetes de un tamaño determinado: los cuantos. La cantidad de energía que hay en cada cuanto de radiación es inversamente proporcional a la longitud de onda de dicha radiación, por lo tanto, según esto, un cuanto correspondiente a longitudes de onda cortas precisa mucha más energía para formarse que un cuanto correspondiente a longitudes de onda largas. La relación entre la energía que un cuanto transporta y su longitud de onda depende de un número llamado actualmente constante de Planck, que se puede determinar mediante experimentos. En el caso de un cuanto concreto, la energía que transporta es igual a la constante de Planck dividida por la longitud de onda.

Si hacemos que haya un movimiento de muchos electrones a la vez, calentando la materia de la que forman parte, sólo unos pocos de ellos tendrán la energía suficiente para crear cuantos de alta energía y longitudes de onda cortas, por lo que solamente se emitirá una pequeña radiación de alta energía. Habrá muchos más electrones con suficiente energía para hacer cuantos de tamaño mediano con ondas de longitud mediana y, en consecuencia, se emitirá mucha radiación de energía mediana. Sin embargo, aunque haya muchos electrones con energía suficiente para hacer cuantos de baja energía y largas longitudes de onda, cada cuanto aporta sólo una pequeñísima cantidad, con lo que únicamente se emite una pequeña cantidad de radiación de alta energía.

Uniendo todas las contribuciones en la forma estadística correcta, Planck descubrió que un objeto caliente debería irradiar la mayor parte de su energía en la parte central de una banda de distintas longitudes de onda, siendo menor la energía emitida tanto en las longitudes de onda más cortas como en las más largas. Además, a medida que el objeto se calienta más, habrá más electrones con energía suficiente para producir una radiación de longitud de onda más corta, por lo que el balance se inclina hacia longitudes de onda más cortas y el pico de la emisión de energía se desplaza en el mismo sentido. Esto es exactamente lo que vemos en la vida real: un atizador al rojo vivo está menos caliente que un atizador incandescente con color anaranjado, y la luz roja tiene longitudes de onda más largas que la luz anaranjada.

La idea de Planck funcionaba perfectamente para explicar la naturaleza de la radiación electromagnética emitida por objetos calientes y cómo el color del objeto cambia a medida que se calienta más.
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Pero la idea de la luz como una forma de onda electromagnética estaba tan bien arraigada que al principio nadie aceptó la idea de que cada cuanto de luz era una entidad real por propio derecho (lo que actualmente llamamos un fotón). La idea consistía en afirmar que había algo en relación con los átomos y los electrones que les impedía irradiar luz si no era en cantidades de un determinado tamaño, no que la luz sólo existiera en cantidades de un determinado tamaño.

Mi analogía favorita es la del cajero automático del banco. La máquina sólo facilita dinero en múltiplos de £10. Puedo sacar £20 o £60, o cualquier otro múltiplo de diez (con tal de que haya suficiente en mi cuenta y en el cajero automático). Pero nunca podré sacar, por ejemplo, £27'43, aunque tenga esta cantidad en mi cuenta y aunque, desde luego, esta cantidad de dinero existe. La causa es que la máquina no funciona de esta manera. Del mismo modo, a principios del siglo
XX
los físicos pensaban que la radiación electromagnética existía en ondas de cualquier tipo de longitud, con cualquier cantidad de energía, pero que los átomos sólo tenían «permitido» emitir luz en paquetes de una cierta cantidad de energía para cada longitud de onda en particular.

Durante los veinticinco años siguientes, poco a poco se fue viendo cada vez más claro que en algunas circunstancias los cuantos de luz —los fotones— tenían que ser tratados como entidades reales y que la idea de onda electromagnética simplemente no era algo que funcionara en todas las circunstancias. Extendiendo la analogía del cajero automático, el dinero de hecho está cuantificado; así, la unidad de moneda básica es el penique y nunca se puede tener en efectivo una cantidad de, por ejemplo, 241'378 peniques, sólo 241 peniques o 242 peniques. Lo que importa es que la unidad monetaria (el «cuanto» que en este caso es el penique) es tan pequeña que es posible tener cualquier cantidad de dinero en una aproximación bastante buena. Siguiendo este ejemplo, a muy pocos adultos les preocuparía, o pocos sabrían, si tienen en sus bolsillos realmente £2'41 o £2'42.

En el contexto de los fotones, la luz también es así. Hay tantos fotones, contribuyendo cada uno de ellos al haz de luz con su pequeña cantidad de energía, que se unen todos y consiguen dar la apariencia de un flujo de radiación uniforme y continuo. ¿Que cuántos son? Alrededor de un billón (1012) de fotones de luz solar caen sobre una cabeza de alfiler cada segundo en un día soleado; cuando estamos mirando a una estrella pálida, el ojo recibe unos pocos cientos de fotones de la estrella cada segundo.

El descubrimiento de que la luz se comporta como si fuera un chorro de partículas produjo una enorme confusión durante cierto tiempo, y además desconcierto entre los físicos, que poco a poco aprendieron a pensar que entidades tales como la luz eran al mismo tiempo partículas y ondas, que unas veces mostraban una de las dos caras y otras veces la otra. Una entidad cuántica, como es un fotón, no es ni una partícula ni una onda. Es algo que no podemos entender si pensamos en alguna cosa relacionada con nuestra experiencia cotidiana, excepto si explicamos su comportamiento en algunas circunstancias utilizando la analogía de la onda para describir su carácter, y en otras circunstancias utilizando la analogía de la partícula para describir su comportamiento. Hagamos lo que hagamos, es mejor que no perdamos el tiempo tratando de comprender qué «es realmente» una entidad cuántica como el fotón, ya que nadie sabe qué es, solamente a qué se parece. Citando de nuevo a Feynman:

Si lo puede evitar, no siga diciéndose a sí mismo: «Pero ¿cómo es posible que sea así?», porque «se irá por el desagüe» para aterrizar en un callejón sin salida del que nadie ha podido aún escapar. Nadie sabe cómo es posible que sea así.
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Sin embargo, todo esto está yendo un poco por delante de la versión del modelo del átomo de Bohr dada en 1913, que sólo necesitaba completarse con la idea de la partición en cuantos que existe en la emisión y absorción de la radiación (no necesariamente de la partición en cuantos de la propia radiación) para resolver el misterio de por qué los electrones de los átomos no caen dentro del núcleo.

Bohr desarrolló el modelo planetario de Rutherford para el átomo diciendo que los electrones sólo pueden ocupar ciertas «órbitas estables» alrededor del núcleo, cada una de ellas correspondiente a una cierta cantidad fija de energía, un múltiplo del cuanto básico. Sin embargo, lo que no podía haber eran órbitas intercaladas, porque corresponderían a cantidades fraccionarias de energía. Un electrón podría saltar de una órbita a otra, emitiendo un cuanto de energía si la nueva órbita estaba más cerca del núcleo o absorbiendo un cuanto de energía si el salto le llevaba más lejos del núcleo. Pero no podía describir espirales continuamente en dirección al núcleo.

Entonces ¿por qué no saltaban todos los electrones con su carga negativa directamente sobre el núcleo, atraídos por su carga eléctrica positiva? Bohr añadió otro ingrediente a su modelo, argumentando que cada órbita estable alrededor del núcleo, en cierto sentido, sólo tenía espacio para un número limitado de electrones. Si la órbita estaba llena, entonces no importaba cuántos electrones podría haber en órbitas de más energía, porque no podrían desprenderse de ese exceso de energía y bajar de un salto a la órbita que ya estaba ocupada. Del mismo modo, estaba sencillamente prohibido a los electrones de la órbita de energía mínima dar el salto final hasta el núcleo. Sin embargo, si una órbita inferior tenía espacio para él, un electrón de una órbita con más energía podía dar un salto y bajar a esa órbita inferior, radiando un cuanto de energía (lo que hoy llamaríamos un fotón correspondiente a una determinada longitud de onda de luz) al hacerlo. Para saltar de una órbita de menos energía a otra de más energía, un electrón tendría que absorber precisamente un cuanto con la cantidad adecuada de energía, la misma cantidad de energía que irradiaría si cayera de nuevo a una órbita inferior.

Se podría ilustrar con una comparación diciendo que es casi como si cada electrón estuviera sentado en un escalón de una escalera y sólo pudiera subir o bajar saltando un número entero de escalones, porque no hay escalones intermedios donde pueda quedarse; no obstante, la comparación es complicada porque los escalones no están todos a la misma altura.

Parecía natural suponer que cada átomo de un elemento concreto se comporta de la misma manera, teniendo sus electrones el mismo espacio entre los escalones de la escalera de niveles energéticos, ya que los átomos de un mismo elemento (hablando con propiedad, de los isótopos de un mismo elemento) son idénticos uno a otro. Por lo tanto, lo que realmente vemos al mirar a la luz que irradia un objeto caliente es el efecto combinado de todos los pequeños paquetes de luz, producido por los electrones que saltan entre los niveles de una amplia gama de escalones con idéntica energía.

Lo que se ve realmente en el espectro de la luz que emite un objeto caliente es una serie de líneas brillantes, con longitudes de onda claramente determinadas. Estas longitudes de onda se podrían definir como las correspondientes al cuanto de energía irradiado cuando un electrón hace su salto hacia abajo en la escalera de energías (una transición específica desde un nivel de energía a otro inferior). La pauta de estas líneas del espectro es diferente para cada elemento y

actúa como una huella dactilar única que muestra la presencia de un elemento concreto en el objeto caliente. Por ejemplo, el gas hidrógeno caliente produce su propia huella espectral distintiva, diferente de la huella de cualquier otro elemento, incluido su pariente atómico más próximo, el helio. También si dirigimos la luz a través de un gas frío, se observa la misma pauta de líneas oscuras en el espectro allí donde la energía ha sido absorbida mientras la luz pasaba a través del gas, siendo utilizada esta energía para hacer que los electrones salten de un nivel de energía a otro superior.
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El poder de la espectroscopia para identificar la presencia de distintos elementos se descubrió en el siglo
XIX
y fue desarrollado por investigadores tales como Joseph Fraunhofer, Gustav Kirchoff y Robert Bunsen. El famoso «mechero de Bunsen» (que realmente no fue inventado por Bunsen, aunque éste hizo un buen uso de él) fue un instrumento clave para su trabajo. Cuando una sustancia se calienta en la llama clara del mechero (por ejemplo, cuando un cable se baña en una sustancia en polvo o en un líquido y luego se pone sobre la llama) produce una luz con un color característico, producido por las líneas brillantes del espectro en las longitudes de onda características —es decir, colores— del elemento que se está estudiando.

Uno de los ejemplos cotidianos que resultan más familiares en relación con este tipo de procesos es el típico color naranja amarillento de muchas farolas del alumbrado urbano. Dicho color tiene su causa en la presencia de sodio. En este caso, es la energía eléctrica que pasa a través del gas en la luz la que mueve los electrones en los átomos de sodio llevándolos a un nivel de energía superior. Cuando vuelven a caer en la escala de energías, emiten una luz que tiene unas longitudes de ondas definidas con mucha precisión y que forma dos líneas brillantes en la parte amarilla del espectro. El característico amarillo de sodio se ve si, por ejemplo, la sal ordinaria (cloruro de sodio) se calienta en la llama de un mechero de Bunsen, o sencillamente si la sal se arroja sobre el fuego.

Cada elemento tiene su propia pauta de líneas espectrales y en cada caso la pauta se mantiene igual (aunque la intensidad de las líneas se modificará) incluso si cambia la temperatura. Comparando sus estudios de laboratorio sobre los espectros con las líneas observadas en la luz procedente del Sol y de las estrellas, los técnicos en espectroscopia pudieron explicar la mayoría de estas líneas hablando de la presencia en el Sol y en las estrellas de elementos conocidos en la Tierra (esta clase de estudios comenzó en 1859, cuando Kirchoff descubrió que existe sodio en la atmósfera del Sol).