La Teoría de las Cuerdas y el Modelo Planetario

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

Hay algunos problemas que quedan del Modelo Estándar, que la teoría de cuerdas espera resolver. Al tratar de averiguar la estructura del átomo, un modelo natural que los científicos debían tener en cuenta en el pasado era el modelo planetario, como se muestra en esta figura. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas.

El físico Niels Bohr determinó que estas órbitas estaban gobernadas por las mismas reglas cuánticas que Max Planck había aplicado originalmente en 1900 – que la energía tenía que ser transferida en paquetes discretos.

En astronomía, la Tierra y el sol se atraen entre sí por la gravedad, pero como la Tierra está en movimiento alrededor del sol, nunca entran en contacto. Un modelo similar podría explicar por qué las porciones negativas y positivas del átomo nunca entraron en contacto.

El primer modelo planetario fue propuesto en 1904 por el Premio Nobel Hantaro Nagaoka. Se basaba en los anillos de Saturno y se llamaba el modelo de Saturno. Ciertos detalles del modelo fueron refutados por el experimento, y Nagaoka abandonó el modelo en 1908, pero Ernest Rutherford revisó el concepto para crear su propio modelo planetario en 1911, que era más consistente con la evidencia experimental.

Cuando los átomos emiten electrones, la energía del electrón sigue ciertos patrones precisos. Bohr se dio cuenta en 1913 que esto significaba que el modelo de Rutherford requería alguna revisión. Para ajustar los patrones, aplicó la idea de que la energía se cuantificaba, o se agrupaba en ciertas cantidades, lo que permitía órbitas estables (en lugar de las órbitas colapsantes predichas por el electromagnetismo).

Cada electrón sólo puede existir en un estado de energía determinado y definido con precisión dentro de su órbita. Para pasar de una órbita a otra, el electrón debía tener suficiente energía para saltar de un estado energético a otro.

Debido a la naturaleza cuántica del sistema, añadir la mitad de la cantidad de energía para ir de una órbita a otra no movía el electrón a medio camino entre esas órbitas. El electrón permaneció en la primera órbita hasta que recibió suficiente energía como para patearlo hasta el estado de mayor energía. Esto es aún más del extraño comportamiento que (esperemos) esperas de la física cuántica.

El modelo de Rutherford-Bohr funciona bastante bien para describir el átomo de hidrógeno, pero a medida que los átomos se vuelven más complejos, el modelo comienza a descomponerse. Sin embargo, los principios básicos se aplican a todos los átomos:

  • Un núcleo está en el centro de un átomo.
  • Los electrones se mueven en órbitas alrededor del núcleo.
  • Las órbitas de los electrones son cuantizadas (tienen niveles discretos de energía) y se rigen por las reglas de la física cuántica (aunque se necesitarían varios años para que esas reglas se desarrollaran).

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