domingo, 7 de abril de 2013

Químicos modernos: Fritz London, la química se hace cuántica (I)



La concesión de la prestigiosa beca Guggenheim en 1926 le dio la oportunidad a Linus Pauling de visitar Europa y trabajar con Bohr en Copenhague, con Sommerfeld en Múnich, y con Schrödinger en Zúrich. Fue en Suiza donde coincidió con Fritz London, un joven filósofo cuyo interés en la mecánica cuántica le había llevado a realizar estudios postdoctorales con Sommerfeld. Pauling también discutiría extensamente de mecánica cuántica con Walter Heitler, que estaba haciendo su doctorado con Herzfeld pero en estrecho contacto con Sommerfeld. Es comprensible la sorpresa que se llevó Pauling al enterarse al año siguiente de que Heitler y London eran los autores del primer tratamiento mecanocuántico de un sistema químico: ninguno de los dos le había dicho nada de su trabajo en común. Años más tarde el propio Pauling describiría el acontecimiento como “la mayor contribución a la concepción química de valencia” desde la introducción del par compartido por Lewis en 1916.

Heitler, Pauling, Ava Pauling, London. Múnich, 1927
Fritz London nació en 1900 en Breslau en el seno de una próspera y cultivada familia germano-judía. Su padre era profesor de matemáticas en Breslau (después lo sería en Bonn) y su madre era la hija de un fabricante de tejidos. London recibiría una educación clásica en Bonn lo que alimentaría su interés por la filosofía. Estudió esta disciplina en Bonn, Frankfurt y Múnich. Con sólo 21 años recibió un doctorado (summa cum laude) por la universidad de Múnich tras presentar una tesis espectacular: sin supervisión alguna, había elaborado toda una presentación de la teoría del conocimiento basada en el lenguaje simbólico y los métodos desarrollados por Peano, Russell y Whitehead. Sólo lo presentó como trabajo de doctorado después de que Pfander los leyese tras que se lo mandase para comentarios y éste le animase a ello.

Las querencias filosóficas son detectables en todo el trabajo de London, caracterizado por una búsqueda constante de los principios generales y la exploración concienzuda de las bases lógicas de los temas elegidos. Nunca fue un mero calculista. Así, por ejemplo, en 1939 publicó con Ernst Bauer una breve monografía (en francés) sobre la teoría de la medida en mecánica cuántica.

Durante los tres años posteriores a la presentación de su tesis, London escribiría dos artículos filosóficos más y se ganaría la vida como profesor de instituto en varios lugares de Alemania. Pero sus intereses iban concretándose y en 1925 toma la decisión de volver a Múnich para trabajar en física teórica con Sommerfeld. Tras este período trabajaría con Ewald en Stuttgart y en Zúrich y en Berlín con Schrödinger.

En 1933 la persecución nazi llevó al judío London a abandonar Alemania. Pasaría dos años en Oxford y otros dos en Paría en el Institut Henri Poincaré. Finalmente, en 1939, aceptó el puesto de profesor de química teórica (no en el sentido actual; el equivalente hoy sería química física) universidad Duke en Estados Unidos, donde permanecería hasta su muerte.

Entre 1925 y 1934 los intereses de London se centraron en la espectroscopía y en la nueva mecánica cuántica, especialmente aplicadas al estudio y caracterización del enlace químico. En 1927, como vimos, Heitler y London produjeron su tratamiento mecanocuántico de la molécula de hidrógeno.

Su problema era calcular la energía de la molécula de hidrógeno en la que dos electrones se mantienen unidos a dos protones. Si los núcleos estuviesen muy alejados la energía del sistema sería esencialmente la de dos átomos de hidrógeno separados, y sólo habría que considerar la interacción entre un electrón y un protón. Pero cuando los núcleos están próximos hay que considerar cuatro interacciones. Usando teoremas matemáticos que lord Rayleigh había desarrollado para estimar la energía mínima de una campana, Heitler y London pudieron ignorar el espinoso problema de la distribución efectiva de los electrones. La demostración de Heisenberg de que los electrones son indistinguibles (resonancia) les permitió hacer más simplificaciones.

Con todas estas aproximaciones consiguieron una expresión lo suficientemente simple de la ecuación de onda del hidrógeno de forma que la ecuación de Schrödinger todavía fuese manejable.. la solución arrojaba valores de la energía de enlace increíblemente próximos a los obtenidos experimentalmente a partir de estudios espectroscópicos.

Cuando hoy día lees un libro de texto que trate del enlace químico sólo encontrarás, si acaso, el nombre de Pauling. Incluso en los textos de química física el desarrollo de Heitler y London aparece anónimamente. No sólo eso, en algunas historias de la química la teoría del enlace parece una creatio ex nihilo de Pauling. Sabemos que no fue así y quizás, también, intuyamos por qué Heitler y London decidiesen no anticipar nada de su trabajo a Pauling.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXIV Edición del Carnaval de Química que acoge el blog El zombi de Schrödinger