Modelo atómico de Nagaoka

El modelo atómico de Nagaoka, propuesto por el físico japonés Hantaro Nagaoka en 1904, representa un hito histórico en la comprensión de la estructura atómica. Este modelo postuló un núcleo masivo central de carga positiva rodeado por electrones dispuestos en órbitas circulares, moviéndose con la misma velocidad angular. La distribución de estos sería similar a los anillos de Saturno, lo que le ha dado el nombre informal de “modelo atómico de saturniano”.

El objetivo de Nagaoka era explicar la existencia de las líneas espectrales de emisión y absorción de los elementos, así como la producción de partículas radiactivas tipo α y β. En opinión de este, las oscilaciones o vibraciones descritas por los electrones podían tener diferentes orientaciones. Así, los electrones vibraban perpendicularmente al plan de movimiento de los anillos, se producían espectros continuos de tipo banda. Este fenómeno se debía a que la luz emitida en todas direcciones no estaría cuantizada en energías específicas, sino en un rango continuo de valores.

Mientras, las oscilaciones paralelas de los electrones producían espectros discretos de tipo línea con formas espectrales muy específicas correspondientes electrones saltando a diferentes niveles de energía definidos. De esta manera, la emisión de partículas radiactivas β de alta energía se explicarían gracias a la rotura de estos anillos de electrones. La idea propuesta por Nagaoka de que diferentes tipos de movimientos de las partículas subatómicas podían dar diversos tipos de emisiones espectrales fue un gran hito en la teoría cuántica. Todo ello, a pesar de que las explicaciones posteriores no utilizarían los mismos argumentos para explicar esta premisa.

El modelo atómico de Nagaoka se distingue por varias características específicas de otros postulados.

• Introdujo la idea de un núcleo central pesado que proporcionaba una elevada estabilidad mecánica, contradiciendo así el modelo atómico de Thomson, donde las cargas positivas y negativas estaban dispersas por todo el átomo.
• Nagaoka se escudó en la idea de que las partículas cargadas eran impenetrables, lo que impedía el colapso de las cargas negativas y positivas presentes en el átomo a pesar de la atracción electrostática. De esta manera, un rápido movimiento de los electrones aportaría mayor estabilidad a sus órbitas anulares, manteniendo distancias fijas con respecto a las cargas positivas presentes en el núcleo. Todo ello, proporcionaría una estructura estable y definida al átomo similar a los anillos de Saturno.
• Nagaoka sugirió que los electrones giran en órbitas estables sin radiar energía, una idea que más tarde sería refutada y ajustada por la teoría cuántica. Finalmente, el modelo preveía que la estabilidad de las órbitas electrónicas se debía a fuerzas centrífugas resultantes de su movimiento circular a alta velocidad.
• Sin embargo, los postulados del modelo atómico de Nagaoka entran en claro conflicto con la fórmula de Larmor. Según el electromagnetismo clásico, una partícula cargada y acelerada produce una determinada cantidad de energía electromagnética por unidad de tiempo. Por tanto, el electrón iría perdiendo poco a poco su energía disminuyendo la distancia orbital con respecto al núcleo hasta su futura colisión, una premisa que contradice la estabilidad saturniana del átomo.
• Por otra parte, las frecuencias de emisión espectral de los electrones muestran que estos emiten o absorben energía en valores discretos, lo cual también es contradictorio con la teoría de Larmor. Ante la imposibilidad de probar de manera experimental la existencia de los anillos de electrones propuestos por Nagaoka, así como el efecto fotoeléctrico y los patrones de difracción, se descartó el modelo atómico de Nagaoka en favor de la teoría estructural del átomo propuesta por Rutherford.

Aunque el modelo de Nagaoka no fue aceptado por la comunidad científica de la época debido a la falta de evidencia experimental y a contradicciones con la física clásica, sentó las bases para el desarrollo del modelo atómico de Rutherford. En 1911, Ernest Rutherford formuló su propio modelo atómico tras experimentos de dispersión de partículas alfa, que confirmaron la existencia de un núcleo central denso, como Nagaoka había especulado.

Apoyándose en esta base de conocimiento, Rutherford refinó la idea del núcleo y corrigió la concepción de las órbitas electrónicas, incorporando la noción de que los electrones giran alrededor del núcleo central a grandes distancias. Además, estipulo que la estabilidad atómica defendida por Nagaoka necesitaría una fuerza atractiva central considerable y que su inestabilidad más que causada por fuerzas electromagnéticas tenían un origen mecánico.

No obstante, la idea de un núcleo cargado positivamente en el centro del átomo fue una idea secundada por Rutherford, que de forma experimental y mediante el uso de partículas α pudo demostrar la existencia de un núcleo de esas características en el centro del átomo. Por tanto, aunque las bases teóricas sobre las que se fundamentan las ideas de Rutherford están alejadas de las conclusiones de Nagaoka, coincidían en ciertos aspectos de la estructura atómica.

Aquí encontrarás más información sobre Ernest Rutherford.

Hantaro Nagaoka (1865-1950) fue un físico teórico nacido en Nagasaki (Japón) que contribuyó significativamente a la física moderna planteando por primera vez la existencia de un núcleo central atómico. Graduado de la Universidad Imperial de Tokio, Nagaoka fue pionero en la física, y desempeñó un papel crucial en la educación e investigación científica en su país. Durante su vida logró ser el presidente de la universidad de Tohoku. Además, estudió durante unos años en Alemania y Austria manteniendo contacto con personalidades científicas de la época.

A pesar de que su modelo atómico no perduró, su enfoque innovador y su valentía sirvió para desafiar las ideas establecidas, dejando una huella duradera en la ciencia, con otras aportaciones como el desarrollo de tecnología inalámbrica, y otras contribuciones al magnetismo y la electricidad.

Ahora que ya conoces el modelo atómico de Nagaoka, no te pierdas todos los Modelos atómicos: qué son y línea del tiempo.

Si deseas leer más artículos parecidos a Modelo atómico de Nagaoka, te recomendamos que entres en nuestra categoría de Física.