Las bases de la física cuántica: Espectros de luz

Rafael Barea, profesor del Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad Nebrija, hace un recorrido por los acontecimientos que sentaron las bases de la física cuántica. A lo largo de los cuatro artículos que ha escrito, podremos descubrir cuáles fueron las claves de esta ciencia. En este último texto, el profesor explica los diferentes experimentos que descubrirían los espectros de luz.

Artículo 4. Espectros de luz

Esta historia no solo fue un verdadero quebradero de cabeza para los clásicos, sino que está muy unida a la idea del átomo que se había desarrollado a lo largo de los últimos años del siglo XIX. Cuando calentamos un sólido y la luz que emite se hace pasar por una rendija y un prisma (un trozo de vidrio triangular), lo que vemos proyectado es un espectro continuo de luz que ocupa un intervalo de frecuencias; en el caso del visible, un arco iris, porque un prisma separa la luz por sus frecuencias, y os recuerdo que la luz a diferentes frecuencias la percibimos en forma de colores.

Supongamos que repetimos el experimento, pero en lugar de calentar un sólido calentamos un gas y cuando se pone incandescente pasamos su luz por un prisma…¿Qué se descubre?, pues que en lugar de tener un espectro continuo lo que se obtiene son unas líneas de diferentes colores.

Realizamos ahora un tercer experimento tomando un sólido al que calentamos y entre el sólido y la ranura ponemos un recipiente de gas frío , después de esto volvemos a usar un prisma para separar las frecuencias y … ¿Qué se observa? Un espectro continuo con líneas negras que coincidirían con las líneas que se verían usando solamente el gas caliente.

Estos experimentos inexplicables con la física clásica eran conocidos desde 1752, cuando Thomas Melvill (1726-1753) hizo sus descubrimientos quemando diferentes sales y observando el espectro a través de un prisma. Los resultados expuestos en la Sociedad Médica no eran explicables con el conocimiento de la época.

En 1814, Fraunhofer (1787-1826) creó lo que se conoce hoy en día como espectroscopio, combinando un telescopio que apuntó al sol con un prisma para separar la luz. Con este instrumento observó líneas oscuras sobre el espectro solar que se denominaron líneas de Fraunhofer. Años más tarde, Kirchhoff (1824-1887) estudió estás líneas oscuras y comprobó que si las superponía con las líneas que emitía la sal (ClNa) incandescente, algunas de las líneas coincidían. Esta coincidencia perfecta indicaba que estos elementos se encontraban en la atmósfera del sol. Quedaban, sin embargo, unas líneas oscuras que no estaban a asociadas a ningún elemento conocido indicando que en la atmósfera del sol existía un nuevo elemento al que se denominó helio. Inmediatamente, científicos de todo el mundo se dedicaron a la búsqueda del nuevo elemento y al análisis de los espectros de los elementos que se conocían. En 1862, A.J Anström (1814-1874) analizó el espectro del elemento más ligero que existe en la naturaleza, el hidrógeno, y comprobó que ese elemento se encontraba también en el espectro del sol.

Todos los espectros de los gases, las líneas en las que emitían y absorbían estaban catalogados, pero no había aparentemente ningún orden o pauta que permitiera dar una explicación sobre su origen. En 1885, un maestro suizo llamado Johann Jakob Balmer (1825-1899) presentó una ecuación que permitía calcular dónde debían aparecer las líneas del hidrógeno, y lo que es mejor, pronosticaba algunas líneas más que no se habían observado aún por encontrarse en la parte del espectro que no vemos.

El reto para los siguientes años fue explicar el origen de estas líneas. ¿Por qué se producían? ¿Por qué se ajustaban a la fórmula de Balmer?¿Cómo se relacionaban las líneas con la estructura de la materia? El pistoletazo de salida lo marcó J.J. Thomson (1856-1940) cuando en 1897 demostró que los rayos catódicos estaban formados por partículas que se originaban en los propios átomos… y, por tanto, los átomos habían dejado de ser indivisibles.

Con esta entrega se termina con los 3 experimentos cuya explicación produjo una revolución del conocimiento, la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos. La discretización de la energía y por tanto de la luz, la velocidad límite de los cuantos de luz o fotones, la introducción de leyes estadísticas que incluían ante las mismas causas diferentes efectos con más o menos probabilidad y los diferentes modelos de átomos que se sucedieron a principios de siglo para explicar todos los fenómenos observados que dieron origen a la física cuántica, esto es, a la física de los “cuantos”.

 

Artículo 1

Artículo 2

Artículo 3

Comentario