Los nuevos elementos... y sus arcoíris

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Los nuevos elementos... y sus arcoíris
Carlos Velázquez
Con prisma cual lupa
El primer detective de arcoíris que se recuerda es Sir Isaac Newton. Entre
1670 y 1672 centró su interés en la óptica. Entre otros, realizó su famoso
experimento de descomposición de la luz solar utilizando un prisma. Con
esto dotó a físicos y químicos de la principal herramienta que después
utilizarían para buscar "huellas digitales" dentro de los arco iris. Newton
pudo haber sido el primero en descubrir una de estas huellas, que
apuntan hacia una multitud de fugitivos desconocidos, pero no miró
suficientemente cerca su descubrimiento.
Para entender qué es lo que hizo Newton debemos pensar que la
luz es como un "tejido" de hilos de muchos colores. Lo que hacemos con
un prisma es un "destrenzado" de dicho tejido, y así podemos ver cada
hilo de manera individual. En términos físicos, la diferencia entre cada uno
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de los colores del arco iris está en la longitud de onda de la luz que le
corresponde a cada uno, las longitudes de onda más grandes son las de
los colores rojizos y las más cortas son las de los colores azulados. Cada
luz en la naturaleza es la suma de una determinada cantidad de cada una
de las luces que se despliegan en el arcoíris; puede haber luces que
tengan
muchos
"rojos"
y
pocos
"azules",
o
una
gran
cantidad
de
"amarillos" y "verdes", etc., y la composición que tiene una luz particular
se conoce como su espectro. O bien, para ponerlo de una manera
sencilla, lo que en el lenguaje cotidiano conocemos como el arcoíris que
surge de una luz, al pasar al lenguaje científico lo nombramos el espectro
de esta luz particular.
Debemos tener en cuenta que los espectros suelen estar formados
por una sucesión continua de longitudes de onda, o bien, regresando a la
analogía de los hilos, no hay un solo tono de hilo rojo, sino que hay un
montón de hilos rojos que poco a poco van adquiriendo un tono
anaranjado, sin que podamos precisar muy bien donde está la frontera
entre uno y otro tono.
Podemos pensar que estamos haciendo un "destrenzado" de la luz blanca al utilizar un
prisma. Imagen obtenida de:
http://4.bp.blogspot.com/_Udshxpxa9Dk/TQf179UrMNI/AAAAAAAAA_k/wQeDFGxo2Ik/s1600/
espec.jpg
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El experimento de Newton.
Imagen obtenida de: http://prismadg.blogspot.mx/
Una línea inesperada
El primero en notar algo anormal dentro de un arcoíris (o espectro) fue
Thomas Melville en 1752. Thomas Melville fue un filósofo natural (la
manera en que entonces se conocía a los físicos) nacido en Escocia en
1726. Entre otras cosas se le recuerda por ser el primero en hacer, junto
con Alexander Wilson, el primer uso registrado de papalotes para hacer
mediciones meteorológicas.
Melville utilizó muestras de varias sales, las puso sobre una flama de
alta temperatura y vio que todas sus muestras emitían una luz amarilla
intensa y distinta de la luz de la flama. Decidió pasar esta luz a través de
un prisma y observó que en el espectro de todas sus sales había una
línea amarilla, localizada siempre en el mismo lugar. Sin saberlo, había
identificado la primer huella digital de un elemento.
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Detengámonos un momento. A primera vista esto puede parecer sencillo:
hay una línea intensa en una parte del arco iris de una cierta llama.
Bueno, ¿y qué? Ya habíamos dicho que cada tipo de luz tiene su espectro
particular, ¿no? Sin embargo, si lo pensamos un poco, ésta es una
situación realmente nueva. En realidad, en esta época solo se conocía el
espectro de la luz solar que es el arcoíris usual que vemos después de
una lluvia.
Desde un punto de vista moderno, si utilizamos el prisma de Newton,
obviamente que podemos seleccionar luz del color que queramos y
combinarla con otras, y así podemos crear luces con los espectros que
queramos. Pero aquí estaba pasando algo raro: la luz emitida por estas
sales tiene un solo color y una sola línea muy delgada en su espectro (en
realidad son dos, pero muy juntas). Esta es una luz con un espectro
distinto a lo que se habían observado hasta entonces. Antes de la
observación de Melville, se creía que todas las luces "naturales" debían
tener un espectro continuo, pero su experimento probó que no era así.
Hoy en día sabemos que las líneas que observaba Melville se deben
a que todas sus muestras estaban contaminadas con impurezas de sodio.
El sodio al evaporarse deja a sus átomos libres que son excitados por su
interacción con la flama, debido a lo cual emiten las características líneas.
Como dato adicional, la luz amarilla de las lámparas públicas es idéntica a
la del experimento de Melville.
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Experimento de Melville: La luz del mechero, aunque parece azulada, tiene un espectro
continuo, al colocar una muestra de un compuesto con sodio vemos que se desprende
una coloración amarilla intensa. Al analizar los espectros se nota la aparición de un par
de líneas sobre el fondo del espectro de la flama.
Imágenes obtenidas de:
http://eltamiz.com/2009/05/13/premios-nobel-fisica-1902-hendrik-lorentz-y-pieter-zeeman/
http://www.science-projects.com/fes/SpectrumNa.GIF
La huella digital del Sol
Nadie pudo apreciar la importancia de la observación de Melville, y
tuvieron que pasar 50 años para que alguien más notara las misteriosas
huellas dejadas dentro de los arco iris. En esta ocasión fue William Hyde
Wollaston a quien le tocó dar el siguiente paso. Él simplemente repitió el
experimento de Newton de descomposición de la luz solar, pero refinó la
resolución de su método y fue capaz de observar que en el espectro solar
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había pequeñas líneas que faltaban. ¿Quién ponía estas líneas, o las
quitaba, dentro de los arco iris?
Irónicamente el descubrimiento de Wollaston pasó desapercibido y
las líneas serían redescubiertas más tarde, y finalmente se conocerían
como las líneas de Fraunhofer.
Las fuentes de luz más comunes que producen arco iris completos
(o que tiene espectros continuos, en el habla de un físico) son los objetos
calientes;
los
focos
incandescentes
de
nuestras
casas
producen
luz
mediante este procedimiento (los focos ahorradores utilizan otros trucos).
Cuando se calienta un metal, por ejemplo en una fundición, vemos que
hay un punto en que el metal se pone rojo, y luego más amarillo al
aumentar
la
temperatura.
Si
analizamos
sus
espectros,
resultan
ser
continuos, aunque la cantidad de rojos es mayor. Las estrellas también
emiten luz debido a que son cuerpos calientes, de modo que tenemos un
problema para explicarnos por qué hay una huella digital en la luz del sol.
Los cuerpos calientes tienen un espectro de emisión continuo.
Imágenes tomadas de:
http://en.wikipedia.org/wiki/Introduction_to_quantum_mechanics
http://www.chm.davidson.edu/vce/coordchem/color.html
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Aunque la luz que sale de la superficie solar tiene un espectro continuo, al verla en la
tierra observamos líneas ausentes dentro de su espectro.
Imagen tomada de: http://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines
Dos alemanes y un ruso
En 1859, después de reelaborar el experimento de Melville y de observar
cuidadosamente las líneas medidas por Fraunhofer, Gustav Robert Kirchhoff
publicó sus ideas al respecto. En esencia se dio cuenta de que un
conjunto de líneas debía corresponder a un elemento químico determinado.
Ésta fue una idea revolucionaria que le daría una herramienta poderosa
para capturar a muchos de los fugitivos del siglo XIX: los nuevos
elementos químicos. Para llevar su trabajo un paso más adelante, recibió
la ayuda de Robert William Bunsen, quien perfeccionó un mechero que
permitió descubrir dos nuevos elementos: el cesio y el rubidio. El mechero
que inventó Bunsen es el mismo que hoy está presente en todos los
laboratorios de química.
Las ideas de Kirchhoff surgieron después de ver la manera en que
interactuaban una fuente de luz caliente y un gas que la rodeaba.
Kirchhoff se dio cuenta de que cuando la luz del cuerpo caliente
pasaba a través de un gas hecho de un solo elemento, al espectro de la
luz resultante le faltaban algunas líneas, o sea, daba la impresión de que
el gas "absorbía" estas líneas. En contrapartida, si en vez de hacer pasar
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la luz, uno le proporciona energía al gas mediante una flama (o mediante
una descarga eléctrica como se hace hoy en día), el gas mismo es el que
empieza a emitir luz, y esta luz solo tiene las líneas que el gas antes
había absorbido, como en el experimento de Melville.
Las ideas revolucionarias de Kirchhoff. Una fuente de luz caliente emite en forma
continua, pero si hay una nube de gas este absorberá algunas de las líneas del espectro
original, dependiendo de los elementos que lo componen. Por otra parte, si la nube
misma es excitada por una flama, entonces emitirá las mismas líneas que antes absorbía.
Imagen tomada de: https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html
Según las ideas de Kirchhoff, las mismas líneas en que un elemento emite cuando es
excitado por una flama son las que absorberá cuando una luz de espectro continuo
incide en él, en este caso podemos observar las líneas características del espectro del
hidrógeno.
Imagen obtenida de: http://jtgnew.sjrdesign.net/exploration_observe_spectroscopy.html
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De este modo, si uno conocía que líneas absorbe cada elemento, podía
identificar con certeza si este elemento estaba o no presente en una
muestra
dada.
Como
consecuencia,
si
uno
observa
líneas
que
no
corresponden a ningún elemento conocido, entonces acaba de encontrar
uno nuevo.
Una vez ideado y comprobado este método de identificación de
elementos vino un auge de descubrimientos: en 1861 W. Crookes descubre
el talio; en 1863 F. Reich y H. T. Richter descubrieron el indio; en 1868
Pierre Janssen y Norman Lockyer identificaron una línea espectral amarilla
al analizar la luz proveniente de un eclipse solar y postularon que esta era
originada por un nuevo elemento no observado hasta entonces en la
Tierra, lo llamaron helio.
En resumen, podemos decir que con las ideas y los experimentos de
Kirchhoff
y
Bunsen
se
creó
el
primer
método
de
identificación
de
elementos que nos permite determinar la presencia de un elemento en un
lugar lejano simplemente viendo el espectro de la luz que nos llega desde
él. En el caso del Sol, la huella dentro de él se debe a que la luz que se
emite desde su superficie primero debe atravesar la atmosfera solar, que
es esencialmente un gas con una gran variedad de elementos, entre los
que se encuentra el sodio y el helio.
La captura de estos fugitivos, que por todos lados andaban dejando
sus huellas, dio un impulso decisivo para que en 1869 un avezado químico
ruso pudiera identificar la estructura organizacional de una banda que
regía la dinámica de la materia. Esta estructura fue conocida más tarde
como La Tabla Periódica de los Elementos Químicos, y su diseñador fue
Dmitri Ivanovich Mendeléyev.
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Cada uno de los elementos de la tabla periódica tiene un espectro de emisión
característico.
Imagen obtenida de: http://www.universoeugeniabalcells.com/homenaje_a_los_elementos.php
Culpables identificados, métodos desconocidos
A pesar del éxito del método desarrollado por Kirchhoff y Bunsen, nadie
podía explicar por qué un elemento dado elegía robar (absorber) y luego
prodigar (emitir) sólo ciertas líneas dentro del arco iris. En realidad, pasó
mucho tiempo antes de que se empezara siquiera a sospechar cómo los
elementos hacen esto. En gran medida el problema provenía del hecho de
que no parece haber ninguna lógica en la manera en que cada elemento
elige sus líneas. Para ponerlo en términos simples, se sabía qué hacían los
elementos, pero no se tenía ni la más mínima idea de cómo lo hacían.
Para llegar a estas respuestas, la ciencia, y sobre todo la física,
todavía tendría que recorrer un largo camino que le depararía muchas
sorpresas. Sin embargo, dentro de toda la confusión generada por las
líneas de emisión, uno de los elementos químicos guardaba las claves que
más adelante permitirían descubrir cómo funcionaba todo: el hidrógeno.
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A modo de despedida les diré que aunque pueda sonar inverosímil,
para poder explicar cómo es que surgen estas líneas se tuvo que explorar
la naturaleza íntima de los átomos y establecer una sencilla disciplina
física conocida como la mecánica cuántica. Por el momento es todo,
hemos descubierto las líneas de emisión-absorción de los elementos y
como un escocés que vuela cometas también puede dar pistas para
resolver grandes misterios. Como siempre, mantengan los ojos abiertos y
las preguntas impertinentes. Hasta luego.
Referencias
•
¿Qué es la luz? Newton vs Huygens. Cienciorama.
•
La
espectroscopía
y
su
desarrollo
como
una
herramienta
didáctica
para
comprender la estructura de la materia. Jean Yecid Peña Triana. Universidad
Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias. Bogotá. 2012.
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