Clase #2 - Universidad de Chile

Universidad de Chile
Observatorio Astronómico Nacional
Cerro Calán
Bunsen y Kirchhoff.
Profesor: José Maza Sancho
6 Diciembre 2013
Descubrimiento de la
Radiación Infraroja:
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 
En 1800 William Herschel observaba el Sol y
sus manchas utilizando filtros oscuros de
diversos colores cuando notó que a través de
alguno de ellos sentía una sensación de calor
pero no veía luz.
Para estudiar el fenómeno dispersó la luz del
Sol en un prisma y y pudo un conjunto de
termómetros para estudiar el aumento de
temperatura en ellos al hacerles incidir la
radiación solar.
Para su sorpresa constató que más allá
del espectro visible, más allá del rojo,
donde no apreciaba luz solar el
termómetro correspondiente aumentaba
considerablemente su temperatura;
  había descubierto la radiación infrarroja.
  “El calor radiante debe consistir de luz
invisible”, especuló Herschel en 1800.
 
La radiación de longitudes mayores que
700 nm, que hoy llamamos infrarrojo,
incide en los telescopios y a pesar que no
puede ser detectada por el ojo humano sí
puede ser captada por otros detectores y
actualmente constituye un área de
investigación muy activa.
  Los cuerpos celestes muy calientes, como
el Sol a 6.000 K, emiten radiación
principalmente en la zona visible del
espectro.
 
Sin embargo un cuerpo a temperaturas de
3.000 K o menos emite muy poca luz y el
máximo de su emisión se encuentra en el
infrarrojo.
  Por ello la astronomía infrarroja es la
herramienta a utilizar en el estudio de
objetos celestes más fríos que las
estrellas (por ejemplo, planetas, nubes de
polvo, etc.).
  El año de 1800 marca el inicio de la
investigación en esa área del
conocimiento
 
Robert Wilhelm Bunsen (1811–
1899).
 
 
La idea que el color de la llama podría revelar la
naturaleza de la sustancia que arde en ella se
remonta al siglo XVI y se encuentra mencionada en
“De re metallica” de Georg Bauer -latinizado como
Georgius Agricola- (1494–1555)
pero solamente dos siglos más tarde, en 1752, se le
ocurre a Thomas Melville (1726-1753) someter a la
descomposición por un prisma las llamas coloreadas
comprobando la diferencia de algunos espectros así
obtenidos y descubriendo la línea amarilla en muchas
llamas.
Robert W. Bunsen (1811-1899)
Un paso adelante es el dado por el
geómetra Julius Plücker (1801-1868),
que obtuvo los espectros de varios gases
mediante descargas eléctricas en tubos
de vacío reconociendo que el espectro es
una característica fija del gas que lo
engendra.
  Sin embargo Plücker se limitó a
comprobar este promisorio resultado sin
intentar desarrollarlo.
  Propuso que las líneas C y F de
Fraunhofer se debían al Hidrógeno.
 
También el coinventor de la fotografía
William Fox Talbot (1800–1877) así
como el astrónomo John Herschel, los
físicos Wheatstone y Foucault y otros, se
ocuparon en el estudio de los espectros
de las llamas.
  Foucault reconoce en 1849 el fenómeno
de la inversión de la línea D del Sodio que
diez años más tarde será vital en el
descubrimiento del análisis espectral.
 
Por su parte David Brewster(1781-1868)
descubre que ciertas líneas oscuras del
espectro solar son engendradas por la
absorción de los rayos por la atmósfera
terrestre.
  Pero mientras todos estos inventores sólo
logran hallazgos aislados e inconexos, en
1859 surge el capital descubrimiento de
Kirchhoff y Bunsen.
 
El químico Robert Wilhelm Bunsen
(1811–1899) experimentador tan lleno de
inventiva como incansable y el brillante
teórico Gustav Kirchhoff (1824–1887),
ambos profesores de la Universidad de
Heidelberg, se complementaron en una
gran colaboración.
  Las llamas coloreadas por ciertas
sustancias atrajeron la atención de
Bunsen que se esforzó en obtener de
ellas un medio seguro para identificar los
elementos químicos.
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 
Siguiendo el consejo de Kirchhoff observó
esas llamas a través de prismas y los
resultados lo condujeron muy pronto al
reconocimiento que las líneas brillantes
emitidas por vapores metálicos
incandescentes son independientes de la
temperatura así como de los elementos
con los cuales esos metales están
combinados ofreciendo características
constantes y fijas de los elementos
químicos aunque estén presentes en
cantidades mínimas.
 
 
Así basta con una cantidad tan pequeña como
un diez millonésimo de miligramo para obtener
la doble línea amarilla del Sodio que delata la
presencia de dicho elemento cuando la química
analítica no logra revelar ningún vestigio del
elemento.
El estudio de las líneas de colores emitidas por
varios cuerpos ya sea en la llama [Bunsen
inventó el mechero que lleva su nombre], el arco
voltaico o en la chispa eléctrica convenció a
Bunsen de la seguridad de su método, que fue
confirmado, en 1860 y 1861, con el
descubrimiento del Rubidio y el Cesio.
Posteriormente, 1861 William Crookes
(1832-1919) descubrió el Talio y en 1863
Ferdinand Reich (1799-1882) y Theodor
Richter (1824-1898) descubrieron el Indio.
  El análisis espectral por emisión estaba
fundado.
  Faltaba solamente quien articulara en un
corpus coherente la gran cantidad de
conocimiento empírico que se encontraba
disperso; esta fue la tarea de Kirchhoff.
 
Gustav Robert Kirchhoff (1824–
1887):
Gustav Robert Kirchhoff nació en
Königsberg, (la ciudad de Kant y Bessel)
Alemania, en 1824.
  Estudió en Berlín y Marburgo;
  fue nombrado profesor de Física en la
Universidad de Heidelberg.
 
Kirchhoff y Bunsen
Producir artificialmente en el laboratorio
las líneas de Fraunhofer fue lo que dio la
clave del problema.
  Kirchhoff realizó esta hazaña de una
manera que, una vez conocida, parece
muy simple.
  Encendió una intensa llama engendradora
de las dos líneas amarillas del Sodio y en
el trayecto colocó una lámpara de alcohol
con una solución de sales de sodio.
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Instantáneamente las líneas amarillas y
brillantes se convirtieron en las líneas oscuras
D, idénticas a las del espectro solar.
Si en lugar de sales de Sodio utilizaba cloruro
de Litio, era la línea roja característica del Litio la
que se tornaba oscura.
Reconoció que las llamas coloreadas, fuentes
de líneas brillantes si están colocadas entre una
fuente luminosa bastante intensa y el prisma,
absorben los rayos de la misma longitud de
onda que emite introduciendo en el espectro
rayas negras en su lugar.
“Podemos admitir – escribe Kirchhoff en
Octubre de 1859 en su breve
comunicación a la Academia de Berlín –
que las líneas brillantes del espectro de
una llama, que coinciden con las líneas D
se deben siempre al contenido de Sodio
de las mismas.
  Las líneas oscuras D en el espectro solar
permiten por lo tanto concluir que se
encuentra Sodio en la atmósfera solar”.
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 
Como los gases de la envoltura del Sol son más
fríos que el astro, un elemento dado en la
atmósfera solar es incapaz de reemplazar con
su propia radiación los rayos que ha absorbido.
Así nacen las líneas oscuras en el espectro
solar como lagunas que se traducen en la
ausencia, en la luz, de rayos de elementos
dados presentes en el Sol.
El enigma de las líneas de Fraunhofer estaba
resuelto y con ello abierta la posibilidad del
análisis químico del Sol, tarea calificada dos
décadas antes como absolutamente imposible
por el filósofo Augusto Comte.
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 
 
En el mismo año de 1859 Kirchhoff envía una
segunda comunicación a la Academia de Berlín,
generalizando su ley.
Introdujo una nueva noción: la de un cuerpo
perfectamente negro, es decir un cuerpo
susceptible de absorber totalmente los rayos de
todas las longitudes de onda y no reflejar
ninguno.
Tal cuerpo fue sólo una exigencia teórica de
Kirchhoff; sin embargo algo más tarde, en 1895,
fue realizado técnicamente por Wilhelm Wien
(1864–1928) y por Otto Lummer (1870–1925).
Una vez definido el cuerpo negro Kirchhoff
demostró la validez de la proporción
 
e:a = E:A
  donde e y a son el poder de emisión y de
absorción de un cuerpo cualquiera y E y A
son esos poderes para un cuerpo negro,
de ahí que el primer miembro de esa
proporción es una constante bien
determinada, de manera que en los
“Poggendorfs Annalen” de 1860 Kirchhoff
enuncia su ley:
 
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para las radiaciones de una misma
longitud de onda a la misma temperatura,
la razón entre el poder de emisión y el
poder de absorción es siempre la misma.
 
Las leyes de Kirchhoff de la
espectroscopía pueden enunciarse de la
siguiente manera:
1. 
2. 
3. 
Un sólido o un líquido [o un gas muy
denso] incandescente produce siempre
un espectro continuo.
Un gas [enrarecido] incandescente
produce un espectro de líneas brillantes
de emisión, sin continuo.
Un espectro continuo cuando pasa a
través de un gas se transforma en un
espectro con líneas oscuras.
4. 
Las posiciones de las líneas tanto de
emisión como de absorción son
características de la constitución química
de la materia que las produce. Cada
elemento y cada compuesto tiene sus
líneas características. Los elementos
absorben o emiten luz sólo de ciertas
longitudes de onda. En consecuencia el
estudio de un espectro permite la
identificación de los elementos químicos
que lo produjeron.
 
Kirchhoff reunió los resultados de sus
investigaciones emprendidas en
colaboración con Bunsen sobre los
espectros solares y terrestres, en un
célebre ensayo “Untersuchungen über das
Sonnenspektrum und die Spektren der
Chemischen Elemente” de 1861 y del cual
la Academia prusiana preparó una edición
especial al año siguiente, en vista de los
alcances excepcionales del mismo.
El ensayo de Kirchhoff elimina
definitivamente la antigua hipótesis de
Alexander Wilson (1766-1813) y de
William Herschel que concebían al Sol
como una masa fría y oscura envuelta por
gases incandescentes.
  Kirchhoff sustituyó esta hipótesis,
incompatible con el concepto de equilibrio
térmico, por la concepción del Sol como
un globo de temperatura elevada cuyas
capas externas de temperatura inferior
son semi líquidas o gaseosas.
 
En tales capas se encuentran, de acuerdo
al análisis espectroscópico, Hierro, Calcio,
Magnesio, Sodio y Cromo, en grandes
cantidades.
  Por su parte, afirma Kirchhoff, las
manchas solares, lejos de ser huecos o
aberturas en la atmósfera del Sol,
representarían productos locales de
enfriamiento, escorias que flotan en la
superficie de la fotóesfera solar.
 
 
Sin duda esta hipótesis de Kirchhoff sobre
la naturaleza de las manchas solares no
pudo resistir mucho tiempo a la crítica,
pero representa el primer intento de
explicar los fenómenos solares en
términos de la física y de la química
terrestres, ofreciendo así un punto de
partida para todas las teorías posteriores
sobre el Sol.
 
 
Con las investigaciones de Kirchhoff la
interpretación de los espectros recibió una
sólida base y pudo iniciarse el desciframiento de
las señales espectrales, apoyado en parte por el
conocimiento cada vez más profundo de los
espectros de emisión de los cuerpos químicos y
en parte por el poder creciente de los
instrumentos.
Kirchhoff midió varios miles de líneas del
espectro de Fraunhofer en una escala arbitraria
y las comparó con las líneas emitidas por
muchas sustancias que entonces identificó en el
Sol como el Hidrógeno, el Calcio, el Sodio, el
Hierro, el Magnesio, etc.
Gustav Robert Kirchhoff
(1824-1887)
El físico sueco de Uppsala, Anders Jonas
Ångström (1814–1874) en 1868
reemplazó la escala arbitraria de Kirchhoff
por una en que la unidad era el diez
millonésimo de milímetro;
  esa unidad ha llegado a ser llamada
Angstrom (1 Å = 10-10 metros).
 
Anders Jonas Ångström
(1814-1874)
 
El espectroscopio de Kirchhoff y Bunsen
se asoció pronto con la red de difracción,
logrando el físico estadounidense Henry
August Rowland (1848–1901),
Henry August Rowland
(1848-1901)
gracias a los progresos de la máquina de
dividir, crear en 1882 redes formadas por
estrías de sorprendente finura, hasta de
1.100 líneas por milímetro.
  Rowland talla las redes en espejos
cóncavos; en 1895 publica tablas que
contienen las longitudes de onda de más
de 20.000 líneas del espectro de
Fraunhofer.
 
El análisis espectral dio nacimiento a toda
una nueva rama de la astronomía, cuyo
extraordinario desarrollo en las últimas
cuatro décadas del siglo XIX abrió las
puertas a la astrofísica del siglo XX.
  El descubrimiento de Kirchhoff y Bunsen
convirtió en realidad la posibilidad que el
hombre penetrara en el conocimiento
químico de cuerpos a distancias estelares.
 
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 
Esto no tan sólo le pareció increíble y utópico a
Comte, sino a mucho otros testigos de la época.
Kirchhof en una carta que dirige a su hermano
Otto, en 1859 le cuenta:
“Mi intento, el análisis químico del Sol, parece a
muchos muy atrevido. No estoy enojado con un
filósofo de la Universidad por haberme contado
mientras paseábamos, que un loco pretende
haber descubierto Sodio en el Sol.
No pude resistir la tentación de revelarle que
ese loco era yo”.