Junto con Walter Heitler, publicó en 1927 un trabajo fundamental sobre la molécula de hidrógeno, H₂. Mediante la mecánica cuántica demostraron que el enlace covalente puede entenderse como una consecuencia de la interacción entre electrones y núcleos, además de la distribución probabilística de los electrones compartidos. Este modelo ayudó a establecer las bases de la química cuántica moderna. London también explicó, junto con R. Eisenschitz, un tipo de atracción débil entre átomos y moléculas apolares. Estas interacciones, conocidas como fuerzas de dispersión de London, surgen por fluctuaciones temporales de la nube electrónica que producen dipolos instantáneos e inducidos.
La llegada del nazismo obligó a London, de origen judío, a abandonar Alemania en 1933. Trabajó temporalmente en Inglaterra y Francia antes de establecerse en Estados Unidos, donde fue profesor en la Universidad de Duke. Allí investigó temas como la superconductividad, el comportamiento cuántico de los líquidos y el magnetismo de los materiales. En su honor, las fuerzas de dispersión llevan su nombre y son esenciales para comprender por qué incluso moléculas apolares pueden atraerse entre sí. Su obra conectó la física cuántica con la química y permitió explicar fenómenos cotidianos, como la condensación de gases y las propiedades de muchas sustancias moleculares.
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