Niels Bohr: biografia, modelo, teoría, frases, y más

Niels Bohr fue un físico danés que hizo contribuciones esenciales para comprender la estructura atómica y la teoría cuántica, por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1922. Bohr además es un filósofo y un promotor de la investigación científica.

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Bohr desplegó el modelo de átomo de Bohr, en el que planteó que los niveles de energía de los electrones son moderados y que los electrones viran en órbitas invariables próximas del núcleo atómico, pero pueden brincar de un nivel de energía u órbita a otro. No obstante el modelo de Bohr ha sido desplazado por otros modelos, sus nociones inferiores siguen siendo válidas.

Biografía y vida

Niels Bohr nació el 7 de octubre de 1885 en Copenhague, Dinamarca, a la madre Ellen Adler, que era parte de un exitoso clan bancario judío, y al padre Christian Bohr, un famoso académico de fisiología. El joven Bohr finalmente asistió a la Universidad de Copenhague, donde recibió su maestría y doctorado en física en 1911. Durante el otoño del mismo año, Bohr viajó a Cambridge, Inglaterra, donde pudo seguir el trabajo del científico de Cavendish JJ Thomson.

En 1912, Bohr se casó con Margrethe Norlund. La pareja tendría seis hijos; cuatro sobrevivieron hasta la edad adulta y uno, Aage, se convertiría también en un científico de física bien conocido. La investigación de Bohr lo llevó a teorizar en una serie de artículos en los que los átomos emiten radiación electromagnética como resultado de que los electrones saltan a diferentes niveles de órbita, partiendo de un modelo previamente sostenido por Ernest Rutherford. (ver artículo: Edgar Allan Poe)

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Aunque el descubrimiento de Bohr eventualmente sería modificado por otros científicos, sus ideas formaron la base de futuras investigaciones atómicas. Después de enseñar en la Universidad Victoria de Manchester, Bohr se estableció de nuevo en la Universidad de Copenhague en 1916 con un puesto de profesor. Luego, en 1920, fundó el Instituto de Física Teórica de la universidad, que dirigiría por el resto de su vida.

Bohr recibió el Premio Nobel de Física en 1922 por su trabajo en estructuras atómicas, y continuaría elaborando teorías revolucionarias. Trabajó con Werner Heisenberg y otros científicos en un nuevo principio de mecánica cuántica relacionado con el concepto de complementariedad de Bohr, que se presentó inicialmente en una conferencia italiana en 1927.

El concepto afirmaba que las propiedades físicas a nivel atómico se verían de forma diferente según los parámetros experimentales, por lo tanto, explica por qué la luz se puede ver como una partícula y una onda, aunque nunca ambas al mismo tiempo.

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Bohr también aplicaría esta idea filosóficamente, con la creencia de que los conceptos evolutivos de la física afectaron profundamente las perspectivas humanas. Otro físico, con el nombre de Albert Einstein, no se identificó completamente con todas las afirmaciones de Bohr.

Bohr comenzó a trabajar con el grupo de científicos que estuvieron a la vanguardia de la investigación sobre la fisión nuclear durante la década de 1930, a la que contribuyó con la teoría de gota líquida. Fuera de sus ideas pioneras, Bohr era conocido por su ingenio y calidez, y su ética humanitaria informaría su trabajo posterior.

Con el ascenso de Adolf Hitler al poder, Bohr pudo ofrecer a los físicos alemanes judíos refugio en su instituto en Copenhague, lo que a su vez los llevó a viajar a Estados Unidos para muchos. Una vez que Dinamarca se convirtió en ocupada por las fuerzas nazis, la familia Bohr escapó a Suecia, con Bohr y su hijo Aage eventualmente haciendo su camino a los Estados Unidos.

Bohr luego trabajó con el Proyecto Manhattan en Los Álamos, Nuevo México, donde se estaba creando la primera bomba atómica. Debido a que le preocupaba cómo se podía usar la bomba, hizo un llamado para un futuro control internacional de armas y una comunicación activa sobre el arma entre las naciones, una idea encontrada con resistencia por Winston Churchill y Franklin D. Roosevelt. (Ver también: León Tolstoi)

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Después del final de la guerra, Bohr regresó a Europa y siguió pidiendo aplicaciones pacíficas de energía atómica. En su “Carta abierta a las Naciones Unidas”, fechada el 9 de junio de 1950, Bohr vislumbró un modo de existencia de “mundo abierto” entre países que abandonaron el aislacionismo para un verdadero intercambio cultural.

Ayudó a establecer el CERN, una instalación de investigación de física de partículas con sede en Europa, en 1954 y organizó la Conferencia Átomos para la Paz de 1955. En 1957, Bohr recibió el Premio Átomos por la Paz por sus teorías y esfuerzos pioneros para utilizar la energía atómica de manera responsable.

Bohr fue un escritor prolífico con más de 100 publicaciones a su nombre. Después de sufrir un derrame cerebral, murió el 18 de noviembre de 1962, en Copenhague. El hijo de Bohr, Aage, compartió con otros dos el Premio Nobel de Física de 1975 por su investigación sobre el movimiento en los núcleos atómicos.

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Mientras tanto, los países escandinavos formaron el Instituto Nórdico de Física Teórica en 1957, con Bohr como su presidente. También participó en la fundación del Research Establishment Riso de la Comisión Danesa de Energía Atómica, y se desempeñó como su primer presidente desde febrero de 1956.

Bohr murió de insuficiencia cardíaca en su casa de Carlsberg el 18 de noviembre de 1962. Fue incinerado, y sus cenizas fueron enterradas en la parcela familiar en el cementerio de Assistens en la sección de Norrebro de Copenhague, junto con las de sus padres, su hermano Harald, y su hijo Christian.

Años más tarde, las cenizas de su esposa también fueron enterradas allí. El 7 de octubre de 1965, en lo que habría sido su 80° cumpleaños, el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Copenhague fue renombrado oficialmente a lo que se había llamado extraoficialmente durante muchos años: el Instituto Niels Bohr.

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Modelo atómico

En septiembre de 1911, Bohr, apoyado por una beca de la Fundación Carlsberg, viajó a Inglaterra. En ese momento, era donde se realizaba la mayor parte del trabajo teórico sobre la estructura de átomos y moléculas. Conoció a JJ Thomson del Cavendish Laboratory y Trinity College, Cambridge.

Acudió a conferencias sobre electromagnetismo ofrecidas por James Jeans y Joseph Larmor, e hizo algunas indagaciones sobre los rayos catódicos, pero no logró sobrecoger a Thomson. Tuvo más éxito con físicos más recientes como el australiano William Lawrence Bragg, y Ernest Rutherford de Nueva Zelanda, cuyo modelo del átomo de Rutherford en 1911había desafiado el modelo de budín de ciruelas de 1904 de Thomson.

Bohr recibió una invitación de Rutherford para realizar un encargo postdoctoral en la Universidad Victoria de Manchester, donde Bohr conoció a George de Hevesy y Charles Galton Darwin a quien Bohr se recontó como “el nieto del verdadero Darwin”. (Ver artículo: Thomas Jefferson)

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Bohr volvió a Dinamarca en julio de 1912 para su boda, y viajó por Inglaterra y Escocia en su luna de miel. A su regreso, se reconcilió en un privatdocent en la Universidad de Copenhague, dando pláticas sobre termodinámica. Martin Knudsen puso el nombre de Bohr adelante para un docente, que fue admitido en julio de 1913, y Bohr empezó a enseñar a estudiantes de medicina.

Sus tres artículos, que más tarde se hicieron célebres como “la trilogía”, fueron publicados en Philosophical Magazine en agosto, septiembre y noviembre de ese año.  Él adecuó la estructura nuclear de Rutherford a Max Planck. La teoría cuántica creó su modelo del átomo de Bohr.

En física atómica, el modelo de Rutherford-Bohr o el modelo de Bohr o diagrama de Bohr, demostrado por Niels Bohr y Ernest Rutherford en 1913, incorpora al átomo como un pequeño núcleo cargado positivamente cercado de electrones que viajan en órbitas circulares en torno a el núcleo, análoga a la estructura del Sistema Solar, pero con la atracción provista por las fuerzas electrostáticas en lugar de la gravedad.

Luego del modelo cúbico de 1902, el modelo de budín de ciruela de 1904, el modelo de Saturno de 1904, y el modelo de Rutherford de 1911 vino el modelo de Rutherford-Bohr o simplemente el modelo de Bohr para abreviar en 1913. La mejora del modelo de Rutherford es primariamente una paráfrasis física cuántica de la misma. El éxito clave del modelo reside en explicar la fórmula de Rydberg para las líneas de expresión espectral de hidrógeno atómico.

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Si bien la fórmula de Rydberg había sido conocida experimentalmente, no obtuvo una base teórica hasta que se implantó el modelo de Bohr. El modelo de Bohr no solo explicó la razón de la disposición de la fórmula de Rydberg, sino que también suministró una justificación para sus resultados empíricos en conocimientos de invariables físicas básicas.

El modelo de Bohr es un modelo relativamente primitivo del átomo de hidrógeno, en comparación con el átomo de la capa de valencia. Como teoría, se puede derivar como una aproximación de primer orden del átomo de hidrógeno usando la mecánica cuántica más amplia y mucho más precisa y, por lo tanto, se puede considerar como una teoría científica obsoleta. Sin embargo, debido a su simplicidad y sus resultados correctos para los sistemas seleccionados, el modelo de Bohr todavía se enseña comúnmente para introducir a los estudiantes a la mecánica cuántica o diagramas de niveles de energía antes de pasar a los más precisos, pero más complejos, átomo de cáscara de valencia.

Un modelo relacionado fue planteado inicialmente por Arthur Erich Haas en 1910, pero fue rechazado. La teoría cuántica del ciclo incluido entre el descubrimiento del quantum de Planck de 1900 y el arribo de una mecánica cuántica en toda regla a menudo se entiende como la antigua teoría cuántica. (Ver artículo: William Faulkner)

Teoría de Niels Bohr

El principal instrumento de la vieja teoría cuántica fue la categoría de cuantificación de Bohr-Sommerfeld, un medio para seleccionar ciertos estados de un sistema clásico como estados permitidos, el sistema solo puede concurrir en uno de los estados admitidos y no en ningún otro estado.

En 1913, Niels Bohr identificó el principio de correspondencia y lo utilizó para formular un modelo del átomo de hidrógeno que declaraba el espectro lineal. En los años siguientes, Arnold Sommerfeld desarrolló la regla cuántica a sistemas parciales integrables haciendo uso del principio de invariancia adiabática de los números cuánticos implantados por Lorentz y Einstein.

Sommerfeld hizo una carga crucial al cuantificar el componente z del momento angular, que en la antigua era cuántica se citaba como cuantificación espacial (Richtungsquantelung). Esto permitió que las órbitas del electrón fueran elipses en lugar de círculos e implantó el concepto de degeneración cuántica. La teoría habría expuesto cabalmente el efecto Zeeman, exceptuado por el problema del espín del electrón. El modelo de Sommerfeld constaba mucho más cerca de la imagen mecánica cuántica innovadora que la de Bohr.

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Las contribuciones de Bohr al estudio de la mecánica cuántica se conmemoran para siempre en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Copenhague, que ayudó a fundar en 1920 y se dirigió hasta su muerte en 1962. Desde entonces, se le ha dado el nombre de Instituto Niels Bohr en su honor.

La teoría de Bohr-Kramers-Slater (BKS), fue quizás el último experimento de acertar la interacción de la materia y la radiación electromagnética sobre la base de la citada teoría cuántica antigua, en la que los fenómenos cuánticos son acuerdo mediante la obligación de limitaciones cuánticas a la conducta asentable clásicamente. Fue avanzado en 1924, y se acopla a una delineación de onda clásica del campo electromagnético. Posiblemente fue más un evento de investigación que una teoría física completa, las ideas que se desenvuelven no se desarrollan de manera cuantitativa.

Un semblante, la idea de formar el procedimiento atómico bajo radiación electromagnética incidente manipulando “osciladores virtuales” en las insistencias de absorción y emisión, en lugar de las disparejas frecuencias aparentes de las órbitas de Bohr, llevó elocuentemente a Bohr, Heisenberg y Kramers a estudiar las matemáticas con fuerza, e inspiró el postrero desarrollo de la mecánica matricial, la primera representación de la mecánica cuántica moderna.

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La oposición de la teoría también creó una gran discusión y una renovada vigilancia a las dificultades en los compendios de la vieja teoría cuántica. Sin embargo, físicamente el elemento más instigador de la teoría es que el impulso y la energía no se almacenarían precisamente en cada interacción, pero en general, estadísticamente, luego se demostró que estaba en trance con el experimento. (Ver artículo: Leonardo Da Vinci)

El trabajo teórico de Bohr asistió significativamente al conocimiento de los científicos de la fusión nuclear. De acuerdo con su teoría de gota líquida, una gota de líquido suministra una representación exacta del núcleo de un átomo.

Esta teoría fue instrumental en los primeros intentos de dividir átomos de uranio en la década de 1930, un paso importante en el desarrollo de la bomba atómica. A pesar de sus contribuciones al Proyecto de Energía Atómica de los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial, Bohr fue un abierto defensor de la aplicación pacífica de la física atómica.

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Aportaciones

Niels Bohr fue uno de los físicos más destacados del siglo XX. Hizo una contribución esencial a nuestra comprensión de la estructura atómica, por la cual recibió el Premio Nobel de Física en 1922. También jugó un papel fundamental en el establecimiento y desarrollo de la mecánica cuántica, cuyas aplicaciones incluyen diodos emisores de luz, el láser, el transistor, semiconductores como el microprocesador, imágenes médicas y de investigación, y microscopía electrónica.

En 1911, el físico británico Ernest Rutherford formuló el modelo del átomo de Rutherford mediante el cual un átomo contenía un núcleo cargado muy pequeño orbitado por electrones de baja masa. Niels Bohr aplicó la teoría cuántica de Max Planck al modelo de Rutherford para llegar a su famoso modelo del átomo de Bohr. La estructura del modelo de Bohr era similar a la de un sistema solar con electrones que orbitan el núcleo atómico con carga positiva en órbitas fijas.

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Niels Bohr trabajó en su tesis doctoral durante 1910 y 1911, en la que reveló el teorema de Bohr-van Leeuwen. Más tarde re descubierto por el físico holandés Hendrika Johanna van Leeuwen, el teorema instituye que cuando la mecánica estadística y la mecánica clásica se emplean de forma consistente, el promedio térmico de la imantación es siempre cero. La importancia del develamiento de Bohr es que la física clásica no admite cosas como el paramagnetismo, el diamagnetismo y el ferromagnetismo, por lo que la física cuántica es ineludible para manifestar estos sucesos magnéticos.

En 1939, Bohr colaboró ​​con el físico teórico estadounidense John Archibald Wheeler para desarrollar el modelo de gota líquida en física nuclear para explicar el mecanismo de fisión. Al igual que una gota podría deformarse desde su forma esférica básica para formar dos nuevas gotas, un gran núcleo atómico, como el uranio, podría desmoronarse para formar dos nuevos núcleos atómicos. El modelo de gota líquida fue un trabajo pionero para explicar teóricamente la fisión nuclear.

En 1936, Niels Bohr formuló el modelo Compound-Nucleus. Explicó las reacciones nucleares como un proceso en dos etapas. Primero, la partícula de bombardeo se convierte en una parte integral de un núcleo nuevo, altamente excitado e inestable, llamado núcleo compuesto. (Ver artículo:  Aristóteles)

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Entre 1925 y 1927, tres físicos destacados del siglo XX, Niels Bohr, Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli, idearon la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Por ella, los sistemas a nivel atómico no tienen propiedades definidas antes de ser medidos. El acto de medición afecta al sistema y hace que seleccione uno de los diversos valores posibles después de la medición. Esta característica se conoce como colapso de la función de onda. La interpretación de Copenhague todavía proporciona una base conceptual para la mecánica cuántica y permanece entre las interpretaciones más destacadas de la teoría.

En 1927, Niels Bohr formuló por primera vez el principio de complementariedad, que establece que en el nivel atómico un fenómeno físico se expresa de manera diferente dependiendo de la configuración experimental utilizada para observarlo. Por lo tanto, la luz aparece a veces como ondas y a veces como partículas. Los ejemplos de propiedades complementarias incluyen, por lo tanto, la dualidad onda-partícula.

Niels Bohr aplicó su teoría atómica a la tabla periódica de elementos. Mostró que las propiedades químicas de un elemento se deben principalmente al comportamiento de los electrones de valencia, los electrones que ocupan la órbita estable más alta. Este fue un paso importante en la creación del campo de la química cuántica.

Experimentos

Bohr condujo una serie de experimentos usando el laboratorio de su padre en la universidad; la universidad en sí no tenía laboratorio de física. Para completar sus experimentos, tuvo que hacer su propio material de vidrio, instaurando tubos de ensayo con las secciones transversales elípticas solicitadas. Él fue más allá de la tarea original, juntando mejoras tanto en la teoría de Rayleigh como en su método, al tomar en cuenta la viscosidad del agua, y remando con anchuras finitas en lugar de escuetamente infinitesimales.  (Ver artículo: Alejandro Magno)

Bohr se convenció de que la luz se comportaba como ondas y partículas, y en 1927, los experimentos confirmaron la hipótesis de De Broglie de que la materia, como los electrones también se comportaba como ondas.

Él concibió el principio filosófico de la complementariedad, que dice que  los artículos podrían tener propiedades aparentemente mutuamente excluyentes, como ser una onda o una corriente de partículas, dependiendo del marco experimental.  Sentía que los filósofos profesionales no lo entendían del todo.

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Ganador del premio nobel de física

El Premio Nobel de Física de 1922 fue otorgado a Niels Bohr por sus servicios en la investigación de la estructura de los átomos y de la radiación que emana de ellos. Quizás sus contribuciones más importantes y famosas hasta ese momento fueron el modelo de átomo de Bohr y el principio de Correspondencia.

Bohr recibió numerosos honores y reconocimientos. Además del Premio Nobel, recibió la Medalla Hughes en 1921, la Medalla Matteucci en 1923, la Medalla Franklin en 1926, la Medalla Copley en 1938, la Orden del elefante en 1947, los Átomos para Premio de la Paz en 1957 y Premio Sonning en 1961. Se convirtió en miembro extranjero de la Real Academia Holandesa de las Artes y las Ciencias en 1923, y de la Royal Society en 1926.

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Relación con Einstein

Los debates de Bohr-Einstein fueron una serie de disputas públicas sobre la mecánica cuántica entre Albert Einstein y Niels Bohr. Sus debates son recordados por su importancia para la filosofía de la ciencia. Una cuenta de los debates fue escrita por Bohr en un artículo titulado “Discusiones con Einstein sobre Problemas Epistemológicos en Física Atómica”.

A pesar de sus diferencias de opinión con respecto a la mecánica cuántica, Bohr y Einstein tenían una admiración mutua que duraría el resto de sus vidas. Los debates representan uno de los puntos más elevados de la investigación científica en la primera mitad del siglo XX porque llamó la atención sobre un elemento de la teoría cuántica, la no-localización cuántica, que es central para nuestra comprensión moderna del mundo físico.

La opinión consensuada de los físicos profesionales ha sido que Bohr resultó victorioso en su defensa de la teoría cuántica, y estableció definitivamente el carácter probabilístico fundamental de la medición cuántica.

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Einstein fue el primer físico que dijo que el descubrimiento de la quantum (h) por parte de Planck requeriría una re escritura de las leyes de la física. Para apoyar su punto, en 1905 propuso que la luz a veces actúa como una partícula a la que llamó un cuanto de luz (relacionada con el fotón y dualidad onda-partícula). Bohr fue uno de los oponentes más vocales de la idea del fotón y no la abrazó abiertamente hasta 1925.

El fotón atrajo a Einstein porque lo veía como una realidad física, aunque confusa, detrás de los números. A Bohr no le gustaba porque hacía la elección de la solución matemática arbitraria. No le gustaba que un científico tuviera que elegir entre ecuaciones.

El año 1913 trajo el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno, que hizo uso del quantum para explicar el espectro atómico. Einstein fue al principio escéptico, pero rápidamente cambió de opinión y admitió su cambio de mentalidad. (Ver artículo: Jesucristo)

Frases más famosas

Niels Bohr, aparte de ser considerado uno de los iconos principales de la física moderna, albergando diversos estudios como la mecánica cuántica, la teoría de los átomos, el precursor de la computadora, entre otros aportes científicos, también fue filósofo y gran pensador, el cual nos dejó algunas frases que hoy en día son recordadas a continuación:

“Si alguien no queda confundido por la física cuántica, es que no la ha entendido bien”

“El sentido de la vida consiste en que no tiene ningún sentido decir que la vida no tiene sentido”

“Deja de decirle a Dios qué hacer con sus dados”

“La verdad es algo de lo que podemos intentar dudar, y entonces, quizás, después de mucho esfuerzo, descubrir que parte de la duda es injustificada”

“Usted no piensa, se limita a ser lógico”

“Hay algunas cosas que son tan serias que solo puedes bromear con ellas.”

“Un tonto siempre encuentra otro más tonto que le admire”. (Ver artículo: Platón)

“Un experto es una persona que ha cometido todos los errores que se pueden cometer en un determinado campo.”

“Hacer predicciones es muy complicado, especialmente si son sobre el futuro”

“Tu teoría no es una locura, pero no es lo suficientemente loca como para ser cierta”

“Su teoría es descabellada, pero no lo suficiente para ser correcta”

“Nunca te expreses más claramente de lo que eres capaz de pensar”

“Todo lo que llamamos real está compuesto por cosas que no puede considerarse como reales”

“Lo contrario de una verdad no siempre debe ser una mentira, sino por el contrario, puede ser otra profunda verdad”

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