El fotón y las líneas espectrales

El fotón

 

Dispositivos de emisión individual de fotones (uno a uno). Imagen de Niccolo Somaschi/LPN-CNRS
Dispositivos de emisión individual de fotones (uno a uno). Imagen de Niccolo Somaschi/LPN-CNRS

Durante el desarrollo de esta teoría, deduciremos que en ningún caso es necesario recurrir a las colisiones entre corpúsculos para explicar los efectos observados en la experimentación con fotones. Al igual que el electrón en el apartado anterior, en las hipótesis que expongo a continuación, el fotón se muestra sin dualidad. Como un ente inmaterial que no es portador de carga alguna, que tampoco tiene un carácter ondulatorio continuo y que, sin embargo, es capaz de transmitir su energía mediante inducción electro-magnética, en cantidades definidas por: el producto de su frecuencia y la constante de Planck. Los fotones serían: paquetes de pura energía cuantizada (en dosis concretas) que, cuando son capturados por las ruedas, éstas pueden aprovechar para incrementar su momento lineal en una cantidad equivalente, gracias a que ambos disponen de las cualidades precisas para que esto sea posible. Una de las cualidades de los fotones que los hace únicamente accesibles a las ruedas es su forma. Para entender esto, debemos visualizarlos como perturbaciones toroidales del campo H, es decir, como anillos vorticiales semejantes a los descritos en el teorema hidrodinámico del vórtice de Helmholtz que, cuando se ponen en movimiento en un fluido perfecto, siguen girando sin detenerse ni dividirse nunca, llevando consigo la energía que los impulsó y cuyos efectos sobre el medio éste describió como análogos a los producidos por los campos magnéticos. Los mismos anillos vorticiales de éter que inspiraron a su amigo Lord Kelvin para el desarrollo de su teoría atómica. En el anexo II-9 (al final de este documento) desarrollo algo más esta idea y sigo especulando sobre la naturaleza de los fotones. Pero ahora voy a exponer otra hipótesis adicional sobre las interacciones entre las ruedas y el campo H, que explica cómo, a través del movimiento oscilante del electrón, cuando forma parte de la corteza del átomo, se pueden generar nuevos fotones sin recurrir directamente a su almacén de energía.

 

Si recuerda, cuando vimos el esquema general simple, donde se muestra una rueda envuelta por el campo H que circula cíclicamente a su alrededor, dije que esa dinámica se podría dar si “de alguna manera” consiguiéramos sujetar la rueda para que permaneciera en la misma posición, pues bien, esa circunstancia se da cuando el electrón es atraído hacia el núcleo, porque los flujos de bosones de la rueda siguen haciendo circular el campo como siempre, en el mismo sentido, pero el momento lineal es contrario a sus efectos; con lo cual, a rebufo del electrón, se va anudando el campo H con múltiples revoluciones (vea la figura 21) que se liberará, en forma de un nuevo fotón, cuando se produzca el rebote sobre el protón. Entonces, el electrón saldrá despedido en cualquier dirección del cono de impulsión, mientras que el nuevo fotón tomará la misma dirección que sirvió para crearlo, pero en sentido opuesto. Será, por tanto, ” un anillo vorticial”, es decir, un campo toroidal en movimiento que se desplaza unidireccionalmente y que tiene un tamaño semejante a la figura resultante de la revolución de los huecos de la parte central de los copos de las ruedas.

 

Foton tras electrón
Figura 21

 

Las líneas espectrales

 

lineas-espectrales

 

Si consideramos que, en el átomo, los electrones están rebotando en todas direcciones, produciendo fotones cuya frecuencia estará determinada por la energía del rebote individual de cada electrón; podremos hacernos una idea de por qué se consideró esta radiación como una onda esférica, de las descritas por Maxwell, que siempre emite en unas determinadas frecuencias características de cada elemento químico; y podremos dar explicación a las líneas espectrales. Pero, para probarlo con más argumentos, extraigo una cita del libro “Historia de la física cuántica, I”, de José Manuel Sánchez Ron; donde Heisenberg deja claro que, si obtuvo una fórmula correcta para la explicación de los fenómenos relacionados con las líneas espectrales, fue gracias a que recurrió al modelo de átomo que presento en esta teoría; por supuesto, él no se había hecho una imagen mental de éste, únicamente se dejó llevar  por la simplificación que suponía el tratar con osciladores armónicos unidimensionales. Veámoslo:

«Me adentré en la espesura impenetrable de unas fórmulas matemáticas complicadas, cuyo camino de salida no encontraba. Pero con este ensayo se afirmó en mí la idea de que no era necesario investigar las órbitas de los electrones en el átomo, sino la totalidad de las frecuencias de oscilación y de las magnitudes que determinan la intensidad de las líneas (las llamadas amplitudes) podrían valer como sustituto completo de las órbitas. En cualquier caso se podrían observar directamente tales magnitudes … Mi intento de llevar a cabo este plan con el átomo de hidrógeno había fracasado por la complicación del problema. Por ello buscaba un sistema mecánico matemáticamente más sencillo, con el que pudiese seguir adelante con mis cálculos. Como tal sistema, se me ofreció el péndulo oscilatorio, o, en términos más generales, el llamado oscilador armónico, que se usa en la física atómica como modelo, por ejemplo, de las oscilaciones moleculares».

Imagen Wikipedia
Imagen Wikipedia

 

También mencionaré que, Schrödinger, con su mecánica ondulatoria, obtuvo los mismos resultados que Heisenberg, Born y Jordan, con la mecánica de matrices, a pesar de tener puntos de partida completamente diferentes; es decir, Schrödinger, sin tener, tampoco, una imagen mental completa del modelo de átomo, pero creyendo posible un retorno a la física clásica determinista, definió matemáticamente el mismo movimiento armónico de los electrones. Y, antes que todos ellos, J.J. Thomson, con su rudimentario modelo de átomo, pudo explicar el tamaño de las “órbitas” de los electrones gracias a que introdujo la constante de elasticidad que los hacía oscilar.

 

El efecto Stark

átomo aisladoLa descripción de este efecto es, a mi entender, un ejemplo claro de cómo, con este modelo de átomo, se pueden explicar las líneas espectrales de los diferentes elementos químicos. Porque, si pudiéramos observar un átomo aislado, como el que se muestra en la figura adjunta a este apartado, cuando no está sumergido en el seno de un campo eléctrico, veríamos que su aspecto se parece al de un erizo de mar, debido a la semejanza de las trayectorias de los continuos rebotes de los electrones, en todas direcciones, con las larguísimas y finísimas púas de algunos de esos equinodermos.

 

Pero, cuando los átomos son sometidos a la acción de un campo eléctrico, sus núcleos son desplazados en dirección del polo negativo y los rebotes de los electrones de la corteza en dirección al polo positivo. Su aspecto se modifica hasta adquirir una forma ovoidal, las trayectorias electrónicas se alargan en el sentido antiparalelo de las líneas de campo y se encogen en el sentido paralelo. Esto produce la multiplicación y el desplazamiento de sus líneas espectrales; pues, la frecuencia de los fotones generados depende del recorrido unidireccional de cada rebote en una dirección concreta.
efectoStark

 

Teóricamente, si desarrollamos en una gráfica la longitud de las trayectorias de los electrones en función del ángulo de rebote, podremos explicar, por ejemplo, por qué se observa en la práctica el triplete característico del nivel de energía n=2 del átomo de hidrógeno; esto es: a 90° la trayectoria del electrón se curva en la dirección del campo y se mantiene a una distancia media de rebote, a 0° los rebotes son rectos pero más cortos y a 180° más largos e igualmente rectos. Esta representación gráfica mostraría claramente un valle y dos crestas, es decir, un triplete de líneas espectrales; porque la distancia de alejamiento del electrón al núcleo está relaciona-da directamente con la frecuencia a las que se observan las líneas espectrales. En la gráfica siguiente se remarcan en rojo estos recorridos.

gráfica efecto Stark

 El efecto Zeeman

 

 

Es el efecto análogo al anterior pero producido por un campo magnético. En este caso las perturbaciones en la forma de los átomos también llevan a la división de las líneas espectrales. Un átomo aislado adquirirá forma ovoidal en el seno de un campo magnético y, por tanto, también se observarán los tripletes característicos en ciertos niveles energéticos; pero, en este caso, las trayectorias de los rebotes de los electrones serán distintos que los descritos en el efecto Stark; los electrones que rebotan a 90° describirán grandes arcos en la dirección perpendicular a las líneas de campo, los que rebotan a 0° (en dirección paralela al campo, hacia el polo sur) tendrán trayectorias rectas más cortas y los que rebotan a 180° (en dirección antiparalela al campo, hacia el polo norte) más largas; por otro lado, las trayectorias de los rebotes de los electrones serán espirales de ida y vuelta, más o menos estilizadas o redondeadas en los ángulos intermedios, cuya representación gráfica es más dificultosa y, por tanto, la dejaremos para otra ocasión.