Imagen de: http://yoseporque.com/wpcontent/uploads/prismaaaaaa.jpg 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 Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 1
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 Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 2
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. Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 3
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. Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 4
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 Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 5
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 Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 6
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 Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 7
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 Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 8
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. Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 9
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. Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 10
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. Los nuevos elementos y sus arcoíris / CIENCIORAMA 11