Historia de las Ciencias 6b (Contemporánea)

27 Kirchhoff y el oro del Sol

28 LOS ESPECTROS DISCRETIZAN LA MATERIA

29 EL MUNDO DE LOS QUANTUM

La historia data de 1814, cuando Joseph Fraunhofer, a la sazón técnico vidriero, ideó un aparato capaz de estudiar en detalle los colores de la luz emitida por los cuerpos, empleando un prima (como lo hiciera Newton) y aumentando luego la gama de colores mediante una lente. Ello le permitió demostrar que el espectro solar posee líneas oscuras que hoy llevan su nombre, midió tales líneas y las designó con letras, nomenclatura que es usada hoy día. Como su trabajo consistía en perfeccionar telescopios, acopló su dispositivo (“Espectroscopio”) a un gran telescopio y enfocó al planeta Venus, comprobando que la luz que nos llega de este astro es una reflexión de la luz solar, por lo cual presenta el mismo espectro. Observó además, que la luz proveniente de otras estrellas, como Sirio, presentan un espectro diferente. Entre las líneas oscuras observadas por Fraunhofer se encontraba la línea D.

Robert Wilhem Bunsen (1811-1899) Profesor en Heidelberg y su colega de Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) fueron los desarrolladores de la espectroscopia, a mediados del siglo XIX. La espectroscopia se basa en que los elementos químicos al calentarse emiten cierta luz, la cual al pasar por un prisma se descompone en un conjunto característico de líneas de colores denominado espectro.

A partir de esa línea D, Kirchhoff obtuvo junto a su discípulo Bunsen, un espectro similar al observar la combustión en una llama con el Espectroscopio ideado por Fraunhofer. En una epístola de 1859 refiere Bunsen su asombro sobre los espectros: “...Por ese método también es posible determinar la composición de los materiales terrestres, distinguiendo las partes componentes con la misma facilidad con que se pueden distinguir los materiales constituyentes en el Sol...”. Un mes después de escribir esta carta, Bunsen descubre el cesio, estudia sus derivados y establece su relación con otros metales alcalinos: el sodio y el potasio.

Motivado por estos descubrimientos, Bunsen, idea la forma de generar la combustión rápida a la llama, creando así la pila de carbón y zinc, que genera un arco voltaico capaz de volatilizar diversas sustancias para analizar su espectro. Con ella, publica en 1875 sus resultados sobre el estudio y descubrimiento de las “tierras raras”, elementos químicos muy poco abundantes en la naturaleza. Empleó tales descubrimientos, originarios en la astronomía, para el campo de la siderúrgica al analizar los subproductos de las fundiciones en Inglaterra.

En cierta ocasión se les ocurrió aplicar su espectroscopio a las llamas de un incendio a varios kilómetros en la localidad alemana de Hamburgo. Lo que descubrieron fue un espectro igual al que habían observado al quemar sodio. La explicación fue que se traba de una fábrica de salazones. Entonces ya que podían detectar sodio de las llamas de un incendio se preguntaron ¿porqué no intentar deducir la composición del sol?.

Kirchhoff se dio cuenta que el espectro del sodio presentaba una doble línea brillante en la misma posición de la doble línea oscura del espectro del sol que Fraunhofer había descubierto y llamado "línea D". Durante el Eclipse del 18 de agosto de 1868, varios científicos se trasladaron a la India, armados con los espectroscopios perfeccionados por Bunsen, y estudiaron la línea D; con ello descubrieron un nuevo elemento químico, encontrado en el Sol antes que en la Tierra y le denominaron con el nombre griego de este astro: Helio.

Un día en un banquete el banquero de Kirchhoff, que estaba al tanto de sus descubrimientos aunque para nada impresionado, le dijo burlonamente a Kirchhoff - Señor Kirchhoff, ¿de que me sirve a mi saber que hay oro en el Sol si no puedo traerlo a la Tierra?. A lo que Kirchhoff no le respondió en ese momento. Sin embargo tiempo después el gobierno británico recompensó a Kirchhoff con una medalla de oro por sus descubrimientos y éste se la pasó a su banquero con una nota que decía "Aquí tiene usted el oro del sol"

Mucho se dice hoy sobre los aspectos Cuánticos del mundo subatómico, de la Física Cuántica y de la naturaleza cuántica de la materia. Que significa esto realmente y cómo surgió este paradigma acerca de la naturaleza?. Para el lector no avezado en estos aspectos comenzaremos por aclarar que cuántico o discreto se refiere por antonomasia lo que no es continuo o “fluido”; así por cuántico se quiere expresar que las magnitudes siguen una relación de múltiplos enteros, como los números marcados sobre una regla. Es decir objeto es continuo si puede tener cualquier longitud no necesariamente coincidente con los números enteros marcados sobre una regla, en cambio una magnitud es discreta o cuántica, si solo acepta valores que sean múltiplos enteros de alguna cantidad como 1,2,3,4…ect. Es claro que en la escala humana los objetos no tienen dimensiones discretas, su longitud y masa pueden tener cualquier valor sea entero o semi-entero (con decimales). Pero ocurre que al examinar la luz emitida por los gases incandescentes mediante un prima (espectroscopio) se encuentran líneas de colores separadas, cuyas posiciones son diferentes según sea el tipo o naturaleza del gas en cuestión. Estas líneas en conjunto constituyen el espectro característico del gas. No están, como en el arcoíris, abarcando un área continua, sino separadas entre sí.

En 1885, un sexagenario profesor de un colegio de señoritas en la ciudad de Basilea, Johann Jakob Balmer (1825-1898), encontró que las líneas del espectro del Hidrogeno incandescente, seguía una “ley” o proporción muy simple. Vale decir que las longitudes de onda de las líneas del espectro podrían modelarse por una ecuación de valores enteros (n=3,4,5 …) para los colores rojo, celeste, cian y violeta; y en consecuencia el espectro presentaba una naturaleza discreta, discontinua, a saltos o como se dice hoy “cuántica”. Años más tarde se encontraron relaciones similares por Lyman (1906) para la región ultravioleta del espectro del Hidrogeno, por Paschen (1908) y Pfund (1924) para la región infrarroja.

La comprensión de la naturaleza cuántica a escala del micromundo se inicia con los espectros, con la formulación teórica de la radiación dada por los quantum de Planck, o fotones como los llamó Einstein en su explicación de la emisión de electricidad de algunos metales cuando se les incide luz (efecto fotoeléctrico) y en los modelos atómicos. Le corresponderá al físico Niels Borh (1913) en su teoría atómica enlazar todas estas ideas a través de la llamada Mecánica Cuántica, según la cual la energía de los electrones en los átomos, está también discretizada. De tal modo que la emisión o absorción de luz, se produce en forma discreta cuando los electrones pasan de un nivel de energía a otro; la separación entre niveles de energía esta cuantizada es decir igualmente discretizada en la estructura de los átomos.

Max Planck puede considerarse como el creador de la naturaleza cuántica de la materia, y su genio fue tal que a los 17 años comenzó en Física en la universidad de Munich. Allí le dijo a su profesor Phillipp von Jolly que tenía la ambición de hacer física teórica, curiosamente éste le intentó desanimar diciéndole "la física teórica es ciencia esencialmente completa con muy pocas posibilidades de desarrollos ulteriores." No refiere la historia lo dicho por Jolly cuando Planck obtuvo el premio Nobel en 1918.

Planck alcanzó en 1879 su tesis doctoral y fue nombrado profesor en Kiel al año siguiente, a la temprana e inusual edad de 22 años. Un día, habiendo olvidado que aula le habían asignado para una clase se dirigió a la portería de la universidad a ver si allí se lo podían decir.

-"Por favor, dígame. ¿En que aula tiene el profesor Planck su clase hoy?"

le preguntó al viejo responsable que estaba atendiendo. El hombre le dio unas palmaditas a Planck en el hombro mientras le decía:

-"Muchacho no vallas allí. Eres demasiado joven para entender las clases del profesor Planck..."

Un problema no resuelto a comienzos del siglo XX, cuando se encontraron las series cuánticas de los espectros de los gases, era la forma (distribución) de energía de un cuerpo emisor de luz en función de su temperatura. Así es un hecho empírico que a medida que un objeto se calienta, como un trozo de fierro por ejemplo, la emisión de luz cambia conforme aumenta su temperatura; desde el rojo, luego al naranja, al amarillo y si se calienta mas, adquiere el típico color azul a violeta. Hecho éste que es casi intuitivo para el lector, quien habrá observado que una cerilla medio apagada es color naranja, la llama de una vela es amarillenta, y que las llamas de la cocina y de un soplete, cuya temperatura son mucho mayores que la de la vela, son respectivamente azules y violetas. ¿Cómo es entonces la Ley de emisión de la radiación en función de las frecuencias (“colores”) y la temperatura? La respuesta finalmente es encontrada en 1900, por Max Planck (1858-1947) profesor de Física Teórica en la Universidad de Berlín. La idea de Planck es que los objetos radiantes (que emiten energía) lo hacen en múltiplos enteros de unidades pequeñas, separadas y discretas, denominadas cuantos. De suerte tal que la energía emitida es proporcional a la frecuencia; la constante de proporcionalidad, denominada hoy día Constante de Planck, es una cantidad muy pequeña, y en consecuencia, en las escalas humanas de longitud y tiempo (mundo macroscópico) lo percibimos como un continuo, pero en escalas atómicas (de los espectros por ejemplo) se observa esa discretizacion de las longitudes y de la energía.

Los cuerpos emiten energía por el mero hecho de hallarse a cierta temperatura. Un cuerpo a 500 ºC emitirá más energía que otro que se encuentre a 30 ºC. La energía que emiten debido a su temperatura, si la temperatura es lo suficientemente alta, se puede percibir en forma de luz. Por ejemplo, el cuerpo humano emite energía entre 36 y 37 ºC pero lo hace en un rango de colores que nuestros ojos no pueden percibir. Cuando la energía que emite un cuerpo es debido únicamente a su temperatura, no porque refleja la que le llega de otros cuerpos, entonces se dice de él que es un “cuerpo negro”. Las estrellas que emiten su energía propia, resultan en ese sentido “cuerpos negros”, en ellas el color de su emisión es función de su temperatura, así el Sol radia mayormente en el amarillo-verdoso y su temperatura superficial es de unos 5 mil °C, la estrella Aldebarán de color naranja 4 mil y la roja Antares solo 1400, mientras que una estrella azul como Rigel tiene una temperatura superficial de 25 mil grados Celsius.

La teoría de los quantum de Planck le conferiría el Nobel de Física en 1918, luego de la confirmación de sus ideas por los aportes de Einstein en 1905 y del desarrollo de la mecánica Cuántica debida a Niels Borh y Heisenberg. No sin arduas polémicas con sus contemporáneos que defendían la tesis de la continuidad de las cantidades mensurables en contraposición a las nuevas ideas sobre la naturaleza discreta del mundo atómico.

Parte de esas controversias quedan plasmadas en las palabras del propio Max Planck; quien refiere en su Autobiografía Científica (Gottingen 30.10.1947):

“Pero solo cuando llegué a Berlín … mi horizonte científico se amplió considerablemente bajo la orientación de Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff, cuyos alumnos tenían toda clase de oportunidades para proseguir sus actividades, conocidas en todo el mundo. Debo confesar que no saqué ningún beneficio perceptible de los cursos impartidos por ellos. Era evidente que Helmholtz jamás preparaba sus clases debidamente. Hablaba titubeando e interrumpía su disertación para buscar los datos necesarios en su pequeña libreta; más aún, con frecuencia se equivocaba en los cálculos que hacía en el pizarrón y era obvio que la clase le aburría a él, casi tanto como a nosotros. Con el tiempo, sus clases fueron quedando cada vez mas desiertas, hasta que por último sólo asistían a ellas tres estudiantes, entre ellos yo … Kirchhoff era el extremo opuesto. Sus clases eran cuidadosamente preparadas, cada frase estudiada y tenía una aplicación correcta. No faltaban ni sobraban las palabras; pero daban la impresión de un texto memorizado, carente de interés y monótono. Sentíamos admiración por él, pero no por lo que decía…”

Si eso fue así en Alemania, con Helmholtz y Kirchhoff, cuyos aportes a la Física trascendió y son indubitables, que nos queda a nosotros aquí con profesores que solo se parecen a ellos en su forma de impartir las cátedras.