El Tamiz

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Premios Nobel - Física 1919 (Johannes Stark)

En la última entrega de la serie de los Premios Nobel hablamos del Nobel de Química de 1918, entregado al alemán Fritz Haber por lograr sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Hoy, por lo tanto, avanzamos un año y llegamos al período de entreguerras, para conocer el Nobel de Física de 1919, otorgado al alemán Johannes Stark, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por su descubrimiento del efecto Doppler en los rayos canales y el desdoblamiento de líneas espectrales en el interior de campos eléctricos.

Sé que la cosa suena bastante abstracta, pero si has leído el resto de la serie –en un momento digo cuáles son los artículos relevantes– creo que no te costará demasiado entender la importancia del doble descubrimiento de Stark y también que se trata de dos descubrimientos hasta cierto punto lógicos. Intentaré además mantener controlada mi antipatía hacia Stark, al menos hasta llegar a su causa, para que sus defectos de carácter no empañen la belleza de sus descubrimientos.

Además de este aviso sobre mi falta de objetividad, uno más: me ha salido un ladrillo bastante denso, sin demasiadas imágenes –no había muchas relevantes– y como no tengo apenas tiempo de releerlo, seguramente tiene aún más erratas que de costumbre… pero según me las digáis, las corrijo.

¿Preparados?

Johannes Stark
Johannes Stark (1874-1957) [dominio público].

Como decía al principio, es conveniente haber leído artículos anteriores de la serie antes de atacar éste. Como verás en el discurso de entrega del final, se mencionan los nombres de casi la mitad de los científicos de los que hemos hablado antes, todos ellos en la misma cadena de descubrimientos relacionada con los rayos catódicos. Por lo tanto, no repetiré aquí algunos de los conceptos establecidos anteriormente, pero para salir del artículo de hoy con las ideas claras estaría bien que leyeras, o releyeras, los dedicados a Wilhelm Röntgen, Lorentz y Zeeman, Philipp Lenard, J. J. Thomson, Max von Laue, los dos Bragg y Charles Barkla. ¡Venga, hombre, que es verano y tienes tiempo!

Como vimos en esa serie de artículos relacionados, a mediados del siglo XIX se descubrió la existencia de los llamados rayos catódicos, que aparecían en el interior de tubos de vacío llenos de gases enrarecidos como por ejemplo hidrógeno. Aunque finalmente se demostró que esos rayos catódicos no eran otra cosa que electrones acelerados, al principio se trató de algo sumamente misterioso; no es casualidad que el nombre incluyese la palabra rayo, algo que en la época era básicamente sinónimo de “algo que viaja en línea recta y no sabemos lo que es”.

Eugen Goldstein
Eugen Goldstein (1850-1930) [dominio público].

El nombre de rayos catódicos, por el hecho de que procediesen del cátodo del tubo de vacío, se lo debemos a un alemán, Eugen Goldstein. Pero, además de bautizarlos, Goldstein descubrió la existencia de un segundo tipo de rayos asociados a los catódicos pero en cierto modo opuestos a ellos; un tipo de rayos de los que no hemos hablado apenas en la serie, porque los descubrimientos encadenados de antes estaban relacionados todos ellos con los rayos catódicos. ¡Pero hoy la cosa cambia!

Si recuerdas el funcionamiento de los primitivos tubos de Crookes –teniendo en cuenta ya el conocimiento proporcionado por J. J. Thomson sobre la naturaleza de los rayos catódicos–, los electrones que recorren el tubo eran el resultado de ionizar el gas enrarecido que lo llenaba, como por ejemplo hidrógeno. Una diferencia de potencial muy grande entre los dos electrodos del tubo “desgajaba” el electrón del átomo de hidrógeno de su protón, acelerándolo hasta que impactaba contra el electrodo positivo.

Pero, aunque sea mirando hacia atrás con nuestro conocimiento moderno, ¿qué diablos le pasará entonces al protón huérfano de su electrón? Seguro que, desde el siglo XXI, tú puedes responder a esa pregunta. En el XIX no sabíamos de la existencia del protón como partícula subatómica, de modo que la pregunta no sería siquiera formulada… pero fue respondida casi por casualidad por Eugen Goldstein.

Goldstein se encontraba realizando multitud de experimentos con los rayos catódicos –es decir, los electrones, aunque él no sospechase de su naturaleza, ya que pensaba que eran ondas del éter–, haciendo los rayos viajar hacia el electrodo positivo. Pero en un momento determinado, en la década de 1880, Goldstein se hizo una pregunta genial: si había rayos invisibles que viajaban hacia el electrodo positivo, ¿podría haber también otros rayos invisibles que hiciesen lo mismo hacia el negativo?

Para responder a esa pregunta, en vez de hacer que el electrodo negativo estuviese al final del tubo, Goldstein extendió éste al otro lado del electrodo… pero no observó nada. En un momento de intuición asombrosa, desconozco la razón, el alemán decidió hacer agujeros o canales en el electrodo. No se me ocurre otra opción para explicar esto que la evidente, es decir, que Goldstein se planteó que tal vez lo que fuese que componía esos rayos, si existían, tal vez necesitaba los agujeros para poder atravesar el electrodo en vez de chocar con él.

Tubo de rayos canales
Tubo de Goldstein.

Sea como fuere, cuando Goldstein puso en marcha su tubo de Crookes modificado con esos pequeños canales a través del electrodo negativo observó que al otro lado aparecía la misma fluorescencia que con los rayos catódicos en el positivo. Existía un segundo tipo de rayos, opuesto en carga eléctrica a los rayos catódicos.

Goldstein bautizó a estos rayos como Kanalstrahlen o rayos canales, ya que aparecían a través de los canales abiertos en el electrodo negativo; hoy en día sabemos que en los experimentos de Goldstein realizados con hidrógeno se trataba realmente de protones, es decir, núcleos de hidrógeno. Y estos rayos canales fueron el objeto de estudio de nuestro personaje de hoy, Johannes Stark, y con ellos realizó los dos descubrimientos que le otorgaron el Nobel de 1919.

Stark es un ejemplo excelente de dos tendencias de la primera mitad del siglo XX presentes en muchos físicos alemanes: el rechazo de la mecánica cuántica por los mismos que habían contribuido a su nacimiento por un lado, y el descenso a la irracionalidad de la Deutsche Physik por otro. Sí, lo siento pero el pobre Johannes es un ejemplo por sus errores tardíos más que sus aciertos tempranos.

De hecho, al principio todo tenía muy buena pinta. Aunque no esté relacionado con el Nobel de hoy, para poner las cosas posteriores en perspectiva, no te pierdas la siguiente anécdota de Stark y Einstein. En 1907 Johannes Stark pidió a un joven Albert Einstein que escribiese un artículo sobre relatividad especial en la revista anual de la que Stark era editor. Einstein, que ya había publicado su teoría especial de la relatividad en 1905, escribió sobre el asunto y algunas de las ideas que se le ocurrieron al hacerlo llevarían finalmente al desarrollo de su teoría general de la relatividad. Stark no sólo reconoció el talento de Einstein y su teoría, sino que en cierto modo contribuyó a su desarrollo posterior. ¡Recuerda esto más adelante!

Al contrario que Einstein, Stark era fundamentalmente un físico experimental. Su interés por los rayos catódicos y, sobre todo, los rayos canales, lo llevaron a realizar multitud de experimentos con ellos, al principio en solitario y luego con sus alumnos de postgrado. Uno de ellos, publicado en 1905, probablemente tendría un sabor agridulce para Eugen Goldstein, que fracasó en un experimento casi idéntico.

Como muchos otros científicos de la época, Goldstein estaba fascinado por los rayos catódicos. No sólo quería saber qué eran –algo que nunca descubrió, y ya hemos hablado de ese descubrimiento–, sino también algo menos fundamental pero también interesante: ya que los rayos eran algo que viajaba por el espacio, ¿a qué velocidad viajaba ese algo?

Por supuesto, era imposible estimar la velocidad de los rayos catódicos utilizando métodos tradicionales: para el ojo humano la luz en los tubos aparecía simultáneamente en todas partes. No era posible, por tanto, medir la longitud del tubo y dividirla por el tiempo que tardaba la fluorescencia en aparecer al final. Pero Goldstein, que como he dicho antes era genial, tuvo una idea diferente: utilizar el efecto Doppler.

Este efecto merecería un artículo propio, y lo tendrá cuando publiquemos un bloque de mecánica ondulatoria, pero puedo dar una descripción “mal y pronto” para salir del paso aquí. Se trata de un fenómeno que todos hemos notado alguna vez con el sonido: cuando una fuente sonora se acerca a nosotros, o nosotros a ella, el sonido nos parece más agudo de lo que realmente es, y cuando se aleja de nosotros el sonido parece más grave:

La traducción física de este fenómeno la dio el austríaco Christian Doppler en 1842. Lo que realmente sucede en el vídeo de arriba es que el camión de bomberos está emitiendo ondas sonoras con determinada longitud de onda, es decir, determinada distancia entre crestas de la onda. Pero como se está acercando hacia nosotros, cada cresta que emite está más cerca de la anterior de lo que estaría si el camión estuviera parado, de modo que las crestas de la onda nos llegan “apretadas” entre sí. Lo contrario pasa cuando el camión se aleja:

Efecto Doppler
Animación del efecto Doppler [Charly Whisky / CC Attribution-Sharealike 3.0 License].

En el caso del sonido, una menor longitud de onda se traduce en nuestro cerebro como un sonido más agudo, y una mayor longitud de onda como un sonido más grave. Pero la explicación de Doppler se aplica no sólo al sonido, sino a cualquier onda, incluida la luz. Seguro que alguna vez has oído hablar del “corrimiento al rojo” y cosas parecidas, ya que en el caso de la luz la longitud de onda se traduce en nuestro cerebro como el color de la luz.

De hecho, en la época que nos ocupa respecto a los rayos catódicos y canales el efecto Doppler ya había sido observado para varias estrellas. En 1848, tan sólo seis años después de que Doppler postulase su explicación, Hippolyte Fizeau –del que ya hemos hablado aquí antes– midió por primera vez el efecto en una estrella, y en 1868 el efecto había sido utilizado ya para estimar la velocidad relativa (hacia nosotros o alejándose de nosotros) de varias estrellas.

Así que Eugen Goldstein tuvo una idea simple pero muy eficaz: observar el cambio en la longitud de onda aparente de la luz asociada a los rayos catódicos. Midiendo la longitud de onda “de frente” a los rayos y “de espalda” a ellos, así como perpendicularmente, sería posible deducir, utilizando la fórmula de Doppler, la velocidad de esos rayos. Si volvemos al ejemplo del camión de bomberos de antes, seguro que comprendes el sistema: si el camión viaja a muy poca velocidad, el efecto es apenas perceptible, mientras que si va a todo trapo la diferencia antes y después de que pase será descomunal.

¿Qué diferencia de longitud de onda midió Goldstein en el caso de los rayos catódicos? Absolutamente ninguna.

La conclusión del alemán, tras una serie de meticulosos experimentos, fue clarísima: sean lo que fueren los rayos catódicos, viajaban a una velocidad muy pequeña comparada con la de la luz. Esto merece una puntualización: en el caso del camión de bomberos el efecto se nota porque su velocidad, aunque pequeña comparable con la del sonido, no es despreciable respecto a ella. Sin embargo, aunque el sonido sufre el efecto en el caso del camión, la luz no lo sufre de manera perceptible: no vemos que el camión sea azulado según se acerca a nosotros y rojizo según se aleja, porque va despreciablemente lento comparado con la luz.

Irónicamente, aunque Goldstein fue el descubridor de los rayos canales, o bien nunca intentó emplear su sistema Doppler para estimar su velocidad, o no pudo hacerlo en la práctica. Es una desgracia, porque si lo hubiese intentado en ese caso, ¡se hubiera encontrado con una sorpresa!

Eso fue precisamente lo que hizo Johannes Stark: medir cuidadosamente la longitud de onda de la luminosidad asociada a los rayos canales desde distintos ángulos. Sin embargo, Stark no estaba interesado en estimar la velocidad de los rayos, sino algo mucho más importante: su naturaleza, ya que lo único que era seguro hacia 1900 es que los rayos canales debían tener carga opuesta a los catódicos, es decir, necesariamente eran de carga positiva. A ver si consigo explicarme.

Imagina que en un lugar –por ejemplo, un tubo de Crookes– hay una mezcla de diferentes objetos. Algunos de esos objetos se mueven y otros no, y queremos saber cuáles son los objetos que se mueven sin verlos directamente. Difícil, ¿no? Pero imagina además que sabemos la longitud de onda de la luz que emiten todos esos objetos en reposo.

Lo único que tenemos que hacer es mirar el lugar desde distintos ángulos, y medir la longitud de onda que percibimos de cada objeto y cada ángulo. Si la longitud de onda de algún objeto siempre es la misma, es que ese objeto no se mueve –o lo hace patéticamente despacio comparado con la luz, claro–. Si algún objeto muestra efecto Doppler, es que ése es el que se mueve. Así es como Stark procedió en sus experimentos.

Para ello contaba con varios aliados. Uno era un espectrógrafo muy preciso, ya que como puedes imaginar, por muy rápido que viajasen los rayos canales la luz no iba a cambiar de color del rojo al azul ni nada parecido. El otro era el conocimiento muy preciso de las líneas espectrales del hidrógeno, es decir, las longitudes de onda que emite el átomo de hidrógeno.

Cuando Stark realizó su serie de experimentos, comprobó que las líneas espectrales del hidrógeno se desplazaban de acuerdo con el efecto Doppler: los átomos de hidrógeno estaban viajando exactamente en la dirección de los rayos canales a una velocidad considerable, aunque pequeña comparada con la de la luz. Pero, dado que era conocido que los rayos canales tenían carga positiva, la conclusión de Stark en 1905 fue muy clara: los rayos canales en un tubo lleno de gas eran los iones positivos de hidrógeno atómico.

Cuando realizó el experimento con otros gases, el resultado fue idéntico: los rayos canales eran chorros de iones del gas que llenaba el tubo. Y esto, mirando hacia atrás, tenía mucho sentido. Los rayos catódicos, como había sido ya demostrado, eran electrones, pero ¿de dónde procedían esos electrones? De los átomos del gas. Al arrancar esos electrones a los átomos lo que quedaba era el resto del átomo con carga positiva, claro, que empezaba a moverse entonces en sentido opuesto a los electrones. Por eso los rayos canales y los catódicos viajaban en sentidos opuestos: eran los dos “trozos” del átomo, con cargas opuestas, desgajados dentro del tubo.

Esto explicaba también, en opinión de Stark, por qué los rayos canales mostraban efecto Doppler y los catódicos no. No era porque los rayos catódicos viajasen muy despacio, como había pensado Goldstein, sino porque la naturaleza de ambos era muy diferente: los rayos catódicos eran partículas muy ligeras, electrones que impactaban contra otros átomos del gas en el tubo. Así, quien estaba emitiendo luz a causa de los rayos catódicos no eran los electrones, sino las partículas contra las que impactaban, que estaban en reposo. Al contrario, los rayos canales emitían luminosidad al impactar contra otras partículas, pero ellos mismos emitían parte de la luminosidad al ser átomos cargados y no electrones sueltos.

Dicho mal y pronto, en el caso de los rayos catódicos el emisor era el obstáculo, mientras que en el de los canales el emisor era el vehículo –aunque el obstáculo también emitía su parte de radiación, que no sufría efecto Doppler–. Stark había demostrado la naturaleza de los rayos canales, hasta donde era posible demostrarla entonces –el modelo atómico de Rutherford, por ejemplo, no llegaría hasta 1909, cuatro años más tarde–.

Parte de la ironía del asunto –que llegará más adelante, pero sigo dejando anécdotas para prepararla– es que a veces no se producía emisión de luz por parte de los iones positivos de algunos gases, cuando la velocidad de las partículas disminuía por debajo de cierto límite. No quiero decir que el efecto fuera despreciable, sino que desaparecía bruscamente. ¿Cómo era esto posible?

Tal vez tú, avispado y sabio lector, desde la comodidad de tu sillón en el siglo XXI y con cuántica sin fórmulas a tus espaldas, tengas la respuesta: no todos los impactos producen emisión de luz, ya que esa emisión se debe a que un electrón del ión o del átomo que recibe el choque es excitado y gana energía. Pero un electrón en un átomo no puede ganar cualquier cantidad de energía arbitraria, ya que su energía está cuantizada.

Stark, de hecho, lo explicó básicamente así: utilizando la hipótesis de Planck, que recibió el galardón de Física de 1918, por cierto, justo el año anterior a Stark. Digo esto porque Stark, como tantos otros físicos del cambio de siglo, vio en la hipótesis de Planck y la naciente mecánica cuántica la respuesta a muchos misterios que no tenían explicación sin las nuevas ideas. Pero, al mismo tiempo, no era consciente de las consecuencias desasosegadoras de esas nuevas ideas.

En cualquier caso, el otro descubrimiento crucial de Stark, además del efecto Doppler en los rayos canales, tuvo que ver con algo relacionado: la modificación de la longitud de onda de la luz emitida haciendo alguna perrería a los rayos. Este descubrimiento se produjo en 1913, es decir, cuando ya teníamos una idea algo más concreta sobre la estructura de los átomos.

Ya hemos visto un Nobel que hacía algo muy parecido: el de Lorentz y Zeeman, que al someter llamas de sodio a intensos campos magnéticos observaron que se producía un desdoblamiento de las líneas de emisión. Pero Stark no utilizó un campo magnético, sino un campo eléctrico.

Al hacer pasar los rayos canales –es decir, iones resultado de arrancar electrones a los átomos del gas– a través de un campo eléctrico intenso, el alemán observó que se producía un desdoblamiento considerable en las líneas espectrales del gas. El mismo año un italiano, Antonino Lo Surdo, hizo algo muy parecido, aunque sólo en Italia se conoce este efecto como efecto Stark-Lo Surdo, y en el resto del mundo lo denominamos efecto Stark. Como ves, es muy parecido al efecto Zeeman, aunque con un campo eléctrico en vez de uno magnético, y no aplicado a la llama sino a los rayos canales de un gas.

Stark Nobel
Johannes Stark en la recepción del Nobel de 1920 (el segundo varón por la derecha, entre Willstätter y von Laue) [dominio público].

El desdoblamiento de líneas en el efecto Stark se producía de manera diferente dependiendo de la relación entre la dirección de observación y la dirección del campo eléctrico, pero esto tenía bastante sentido. De hecho, con el electromagnetismo clásico y el modelo de Rutherford era posible demostrar teóricamente que el efecto Stark es inevitable.

Un campo eléctrico tiende a “tirar” de las cargas positivas en un sentido, y de las negativas en el contrario. Así, en el caso de un átomo, el núcleo –de carga positiva– sufre el tirón en un sentido, y los electrones –de carga negativa– en el opuesto. No todos los electrones se comportan igual en esto, por cierto: los más cercanos al núcleo atómico son atraídos tan fuertemente por él que apenas cambian su comportamiento, pero los más externos tienen suficiente libertad como para desplazarse ligeramente en sentido opuesto al campo.

Si imaginamos que el tirón que sufren los electrones es hacia la derecha, por ejemplo, entonces le sucederá algo distinto a un electrón que en ese momento esté a la derecha del núcleo que a uno que esté a la izquierda: el que está a la derecha del núcleo tenderá a ir más hacia la derecha, es decir, alejarse del núcleo, mientras que el que está a la izquierda en ese momento tenderá a acercarse al núcleo.

Como la distancia entre electrones y núcleo cambia, también lo hace la energía de los electrones, y por lo tanto el electrón de la derecha, que se aleja, gana energía potencial, mientras que el que está a la izquierda la pierde. Aunque esos dos electrones originalmente estuviesen a la misma distancia del núcleo y por tanto tuviesen la misma energía, se ha producido un desdoblamiento energético: uno tiene un poco más de energía que antes, el otro un poco menos.

Sé que mi explicación es poco rigurosa y simplista, pero espero que con ella comprendas por qué lo que antes era una línea de emisión puede convertirse en más de una línea bajo la acción de un campo eléctrico intenso. Lo más importante de esto son dos cosas: la primera, que el efecto Stark nos permitió estudiar la estructura interna del átomo, ya que con él se nota la diferencia entre electrones internos y externos, y es posible saber cuántos electrones hay en una capa determinada como mínimo.

La segunda es bastante más interesante: la explicación que he dado fue la que se intentó dar al principio –el primero en hacerlo fue Woldemar Voigt–, utilizando el electromagnetismo clásico. Esa explicación sirve de manera cualitativa, pero cuando Voigt la usó para predecir la magnitud del efecto Stark, el desdoblamiento teórico resultó ser varios órdenes de magnitud menor que el real.

La física clásica era incapaz de explicar el efecto Stark.

Sin embargo, como seguro que te hueles, el nuevo modelo atómico de Bohr-Sommerfeld explicaba el efecto con una precisión pasmosa. No voy a hablar aquí del modelo de Bohr, porque ya lo hice en un artículo específico y porque además lo haré otra vez en esta misma serie, ya que el danés ganó el Nobel de 1922 precisamente por eso. Baste decir que la nueva mecánica cuántica daba cuenta del efecto Stark sin problemas, y de hecho muchos de los físicos de la época dieron saltos de alegría cuando Stark publicó sus resultados: no sólo era una prueba experimental más de su validez, sino que proporcionaba muchos datos más para refinar la cuántica.

¿Qué opinaba Stark de todo esto? Su observación del efecto que lleva su nombre es de 1913, y las explicaciones empezaron a llegar poco después. En 1920, cuando recibió el Nobel de 1919, su posición ya era muy clara al respecto. Creo que es mejor que lo leas en palabras del propio Stark, y que saborees la ironía deliciosa tú mismo. En su discurso de agradecimiento por el Nobel, al decir que el modelo de Bohr explica perfectamente el efecto Stark, el alemán dijo (énfasis mío):

Aunque yo mismo me encontré hace tiempo en el umbral de esta teoría [la mecánica cuántica], y aunque las fórmulas finales proporcionan una relación de frecuencias de las líneas espectrales que concuerdan bien con los datos observados, soy incapaz de considerarla cierta, porque en sus puntos de partida postula suposiciones que contradicen no sólo la teoría de Maxwell sino el propio espíritu de la Física.

Si llevas tiempo aquí –y, no nos engañemos, si has llegado hasta este punto del ladrillo es que llevas tiempo aquí– seguro que sabes exactamente a qué se refiere Stark con eso del espíritu de la Física. Al igual que Albert Einstein y Max Planck, que también se encontraron “en el umbral de esta teoría”, Stark era incapaz de aceptar la indeterminación cuántica, el cambio de concepción sobre el Universo que suponía la nueva teoría.

El problema es que la antigua no funcionaba, e incluso el propio Stark tenía que aceptar que la nueva sí. Pero el cambio entre 1905, cuando Stark aceptaba entusiasmado la cuantización de la energía para explicar la ausencia de emisión en los rayos canales de baja velocidad, y 1920, cuando rechazaba de plano la mecánica cuántica, es aún más profundo. Y la culpa no la tuvo nada relacionado con la Física, sino lo más importante que sucedió en Europa entre 1905 y 1920.

En 1905 Stark se guiaba por la razón, la curiosidad científica y el interés objetivo por descubrir la verdad de las cosas. Es cierto que entonces aún no era posible conocer el alcance filosófico de la hipótesis de Planck, pero el cambio en Stark fue mucho más allá de su rechazo a la cuántica, y el momento de cambio fundamental fue la Gran Guerra.

Como otros alemanes de la época, la Primera Guerra Mundial despertó en Stark un nacionalismo exacerbado, y poco a poco sus prioridades fueron cambiando. La nación era lo primero, antes que la ciencia y el descubrimiento de la verdad de las cosas. Esto se fue agudizando hasta 1920, cuando recibió su Nobel, pero siguió yendo a más con los años hasta convertir a Stark en un fanático de la talla de Philipp Lenard.

Sí, desgraciadamente Johannes Stark fue una de las principales figuras de la Deutsche Physik, lo cual es absolutamente irónico dado su papel en 1907, cuando animaba a Einstein a escribir sobre relatividad. Pero ahí estaba la diferencia: al Stark de 1907 lo que le importaba es que Einstein era un físico talentoso, y al de 1930 le importaba que Einstein era un judío. En el dilema terrible que sus contemporáneos en ciencia, como von Laue, Haber o Heisenberg, se encontraron con el auge del Nazismo, Stark tomó una postura extrema – la misma que Lenard.

De hecho, en 1934 Johannes Stark dejó su postura meridianamente clara de manera explícita en un libro titulado Nationalsozialismus und Wissenschaft (Nacional socialismo y ciencia). De acuerdo con él, el objetivo último de la ciencia es servir a la nación; por tanto, deben priorizarse los campos que ayudan al desarrollo armamentístico, y despreciarse la física teórica. ¡Y esto lo dice quien medía el efecto Doppler de los rayos canales, tócate las narices!

Stark, viejo
Johannes Stark en la década de los 30, ¡si hasta se le ve en la cara! [dominio público].

Es posible que recuerdes, hace muchísimo tiempo, el artículo sobre Werner Heisenberg en el que decíamos que al pobre Werner lo llamaban “judío blanco” por ser partidario de la relatividad einsteiniana. Pero ¿quién lo bautizó así? ¡Adivina!

En 1937 Stark publica un artículo titulado Weiße Juden in der Wissenschaft (Judíos blancos en la ciencia) en Das Schwarze Korps, el periódico de las SS. ¿Hace falta que siga? Simplemente diré que también dirigió una carta a Max von Laue –ese sí, admirable– en la que básicamente lo conminaba a seguir las directrices del partido o atenerse a las consecuencias. ¡Al mismo von Laue junto al que está en la foto del Nobel de más arriba! En fin.

Espero que este descenso a los abismos de la irracionalidad no te haga olvidar las dos grandes contribuciones de Stark a nuestro conocimiento de la física atómica. Como siempre, para intentar mostrar la relevancia contemporánea de los descubrimientos, te dejo con el discurso pronunciado por Å.G. Ekstrand, Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, el 1 de junio de 1920:

Damas y caballeros,

La Real Academia de las Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física de 1919 al Dr. Johannes Stark, catedrático de la Universidad de Greifswald, por su descubrimiento del efecto Doppler en los rayos canales y el desdoblamiento de líneas espectrales en campos eléctricos.

Sucede raras veces que el estudio de un fenómeno físico lleve a una serie tan brillante de descubrimientos importantes como la que ha seguido a la conducción de una corriente eléctrica a través de un gas enrarecido. Ya en 1869 Hittorf descubrió que si se disminuye la presión en un tubo de descarga, se emiten rayos desde el electrodo negativo, el llamado cátodo. Aunque son invisibles al ojo humano, pueden ser observados a través de determinados efectos únicos en ellos. El estudio continuado de estos rayos catódicos, en el que Lenard en particular obtuvo gran mérito, mostraron que están compuestos por un torrente de partículas cargadas negativamente cuya masa es de tan sólo una 1/1800 parte de la masa del átomo de hidrógeno.

Llamamos a estas diminutas partículas electrones, y poco a poco una de las principales teorías de la física moderna creció a partir del estudio de las propiedades de los electrones y su relación con la materia. La teoría electrónica, junto con su concepción de la estructura de la materia, ha adquirido una importancia radical tanto para la física como para la química.

Cuando los rayos catódicos inciden sobre un objeto, éste se convierte en fuente de una nueva radiación, la descubierta por Röntgen en 1895 y denominada por él rayos X, el estudio de los cuales ha llevado a tantos resultados importantes para las principales ramas de la ciencia, no sólo de la física. A través del descubrimiento de von Laue de la difracción de rayos X en cristales se demostró que estos rayos son ondas luminosas de muy corta longitud de onda. Ahora es posible incluso fotografiar el espectro de estos rayos y la ciencia se ha enriquecido de este modo con un nuevo método de investigación, cuyas implicaciones no pueden ser aún completamente asimiladas.

El descubrimiento de von Laue también llevó a otros en el campo de la cristalografía. Es posible, ahora que W. H. Bragg y su hijo han deducido los métodos teóricos y experimentales necesarios, determinar las posiciones de los átomos en cristales. Estos métodos han abierto un nuevo mundo a nuestros ojos, un mundo que ha sido ya parcialmente explorado.

No fue menos importante el descubrimiento de Barkla en 1906 del hecho de que todo elemento químico, al ser irradiado con rayos X, emite un espectro de rayos X característico del elemento en cuestión. Este descubrimiento ha resultado ser de extraordinaria importancia para el estudio teórico de la estructura del átomo.

En el año 1886 Goldstein descubrió un nuevo tipo de rayos en tubos de descarga llenos de un gas enrarecido, el estudio de los cuales ha adquirido enorme importancia para nuestro conocimiento de las propiedades físicas de átomos y moléculas. Por el modo en el que se formaban, Goldstein los llamó rayos canales. Fue demostrado por el trabajo de W. Wien y J. J. Thomson que la mayor parte de estos rayos canales están formados por átomos positivamente cargados del gas que llena el tubo de descarga, que se mueven en el haz a gran velocidad.

En su viaje a lo largo del haz estas partículas de los rayos canales están chocando constantemente con las moléculas del gas que contiene el tubo, y por tanto sería de esperar que se emitiese luz si la energía cinética es suficientemente grande. Ya en 1902 Stark predijo que las partículas de los rayos canales se volverían luminosas, y que por tanto las líneas del espectro emitidas por ellas deben desplazarse hacia el violeta si los rayos se observan aproximándose al observador. Esto sucede del mismo modo que el desplazamiento de las líneas del espectro de aquellas estrellas que se mueven hacia nosotros, y dado que este desplazamiento, denominado efecto Doppler, aumenta con la velocidad de la fuente de luz, debe ser así posible determinar la velocidad de las partículas de los rayos canales.

En 1905 Stark consiguió por primera vez detectar este fenómeno en un tubo de rayos canales lleno de hidrógeno.

Al lado de cada línea [del espectro] perteneciente a la conocida serie de Balmer apareció una nueva línea más ancha, que se encontraba junto a la original pero en el lado hacia el violeta del espectro si los rayos canales eran observados acercándose al observador, pero hacia el rojo si se observaban desde atrás. El efecto aquí mencionado ha sido observado para los rayos canales de todos los elementos, además del hidrógeno, investigados a este respecto.

El descubrimiento, mediante el cual el efecto Doppler fue observado por primera vez para una fuente de luz terrestre, fue instrumental en la demostración de que las partículas de los rayos canales son átomos luminosos, o iones atómicos. El estudio posterior del efecto Doppler de sus espectros, que ha sido llevado a cabo fundamentalmente por Stark y sus alumnos, ha llevado a resultados extremadamente importantes, no sólo sobre los propios rayos canales, su formación, etc., sino también sobre la naturaleza de los diferentes espectros que un mismo elemento químico puede emitir en diferentes circunstancias.

A lo largo de una de las investigaciones sobre rayos canales en un tubo con hidrógeno que atravesaban un campo eléctrico intenso Stark observó en 1913 un engrosamiento de las líneas del espectro del hidrógeno. Un examen más minucioso de este engrosamiento mostró que las líneas se desdoblaban en varias componentes con características de polarización diferentes. Aunque este desdoblamiento puede observarse mejor en los rayos canales, no tiene nada que ver con el movimiento de los átomos, sino que depende únicamente del hecho de que éstos se encuentran en el interior de un campo magnético terriblemente intenso.

Así, se realizó un descubrimiento análogo al de Zeeman sobre el desdoblamiento de las líneas espectrales utilizando un campo magnético muy intenso, algo que fue ya recompensado con el Premio Nobel por esta Academia.

Este desdoblamiento de líneas espectrales en campos eléctricos ha sido detectado y medido por Stark en el espectro no sólo del hidrógeno, sino también de un gran número de otras sustancias, y el resultado de estas investigaciones ha sido que el efecto que lleva su nombre es muy diferente en varios aspectos del efecto Zeeman, y que la dinámica óptica de los átomos cambia bajo la influencia de un campo magnético de un modo bastante distinto que la de un campo eléctrico.

El efecto descubierto por Stark se ha convertido en algo extraordinariamente importante para la investigación moderna sobre la estructura del átomo, y ha abierto nuevos campos para el estudio del efecto de los iones atómicos unos sobre otros y sobre las moléculas. Las condiciones extremadamente complejas en las que se manifiesta este efecto en las líneas espectrales del hidrógeno y el helio fueron explicadas por una teoría que forma uno de los más sólidos pilares en los que se apoya la concepción moderna sobre la estructura interna del átomo.

A la vista de la enorme relevancia que el trabajo de Stark tiene sobre la investigación física en diversos campos de gran importancia, la Real Academia de las Ciencias considera muy merecido que el Premio Nobel de Física de 1919 sea otorgado a este científico.

Doctor Stark. Nuestra Academia de las Ciencias le ha otorgado el Premio Nobel de Física de 1919 en reconocimiento a su investigación revolucionaria del efecto Doppler en los rayos canales, que nos ha proporcionado una nueva visión sobre la realidad de la estructura interna de átomos y moléculas. El Premio Nobel también abarca su descubrimiento del desdoblamiento de las líneas espectrales en campos eléctricos – un descubrimiento de la máxima importancia científica.

Le pido ahora, Doctor, que reciba el Premio Nobel de manos del Presidente de la Fundación Nobel.

En la próxima entrega de la serie, el Nobel de Química de 1920.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

Ciencia, Física, Premios Nobel

12 comentarios

De: Rick
2014-08-06 13:58

Nunca nunca nunca nunca te disculpes por tus "artículos ladrillo", porque son los que más nos gustan.

De: Marcelo
2014-08-06 16:48

¡Venga, hombre, que es verano y tienes tiempo! : Me parece que perdiste la noción de tu alcance... Hace rato que atravesaste el Atlántico, recorriste los 5 continentes y te leemos acá en hemisferio sur; yo al menos en las coordenadas : latitud -32°49'16" y longitud -71°28'32", hoy con lluvia y frío, 6 °C (06/08/2014)... ¡de verano ni hablar!

De: Marcelo
2014-08-06 17:14

No se ve la foto recibiendo el nobel 1920. "agudo de lo que relamente es" (realmente) "aplica no sólo al sonido" (solo, desde 2010 no lleva tilde ve página de la RAE, hay varios de ellos) "ión" (ion) "tenderá aacercarse al núcleo." (a acercarse) "energía, de ha producido un" (se ha producido)Aquí voy en la lectura... espero terminar hoy.Favor no publicar esto.

De: Marcelo
2014-08-06 20:16

"Un examen más minuciosos" (plural o singular) "Zeeman sobre el desdoblamienteo" (desdoblamiento) "En la próxima entrega de la serie, el Nobel de Química de 1920." (¿no hubo química 1919 ni física 1920 que te saltaste a química 1920?)Eso encontré Pedro... Felicitaciones por tus "ladrillos".

De: Pedro
2014-08-06 20:50

Gracias, Marcelo, has encontrado un buen puñado :) No he corregido dos, porque estoy declarado en rebeldía desde hace años: he dejado el sólo, y lo seguiré haciendo hasta que no esté tolerado (creo que aún lo está) y tal vez después, y el ión, porque en toda mi vida nunca he oído a nadie decir la palabra como monosílabo. Estoy seguro de que hay sitios en los que se hace, pero en España nunca lo he oído, con lo que me rebelo contra la ortografía de la palabra (como de guión). Sé que haría falta alguna nueva norma, porque esa tilde no rompe el diptongo, pero me da igual. Es una pelea que tengo con los profesores de Lengua Castellana de mi colegio, y supongo que la seguiré teniendo hasta que me muera. ¡Rebelión! :)

De: Mosquito Fillano
2014-08-07 12:28

Hace dos o tres semanas que me terminé el tamiz y ya tenía el mono...Esto es tan adictivo que me estoy leyendo el cedazo, aunque con más calma...Con respecto a este artículo, me ha gustado mucho, como todos los de esta serie.A ver cuando nos traes un artículo de la serie del sistema solar..., bueno antes uno de los elementos, bueno si no te importa, primero la continuación de las cuatro fuerzas... bueno lo que sea, pero no te pares, sigue, sigue :-)Yo me he leido el artículo con tanta precipitación que no he encontrado ninguna errata, lo siento.

De: Bishop
2014-08-07 21:37

Hola Pedro. Interesantísimo el artículo, así que como aquí es verano, me empaparé de más información, así que gracias por la sugerencia para esta época estival.Y, respecto a lo de "sólo", yo también creo que la RAE aquí no ha sido muy acertada con el cambio, ¿qué pasaría con la siguiente frase?:- He ido solo al cine.¿Cómo se interpreta? Bastante ambiguo, algo que se soluciona poniendo o no una tilde. Así que, ante la duda, creo que la mejor opción es siempre utilizar el acento gráfico cuando se use el adverbio.Un saludo y gracias por tus entradas.

De: kemero
2014-08-08 01:58

Como siempre un placer leerte Pedro!!! esta serie es lo mejor de lo mejor.

De: Jorge
2014-08-25 22:36

Tengo un enredo con la emisión de los rayos canales que debe ser muy básico; si estos son iones de hidrógeno atómico significa que son protones cierto?

Por otro lado las líneas espectrales del hidrógeno (o de un átomo cualquiera) entiendo que son los fotones que emite el átomo en determinadas longitudes de onda cuando su electrón cambia de nivel de energía no?

Entonces cómo es que un único protón siga emitiendo las líneas espectrales del hidrógeno "completo"? No creo que tenga que ver con la emisión debido a ser una carga acelerada cierto? o es que el hidrógeno está en forma de H2 en el tubo?

Gracias por la ayuda!

PD: Desde Chile, también de acuerdo con el sólo.

De: martha
2014-08-26 19:26

!Me acabo de enganchar a tu blog! Qué gusto, qué sentido del humor y qué bien documentado. Muchas gracias!. Ahora me voy a pasar a leer sobre la naturaleza de la luz, que veo que tienes un par de post colgados sobre el tema...

De: Mariano
2014-08-27 02:10

"Un examen más minucioso de este engrosamiento mostró que las líneas de desdoblaban en varias componentes con características de polarización diferentes." Creo que debería de ir "se desdoblaban", de ahí en más excelente artículo.

De: Pedro
2014-08-27 12:16

Jorge, no lo sé. Es posible que, como dices, al ser H2 el gas original, los iones impulsados sean H2+, que aún tienen un electrón, pero mi idea era que se trataba de núcleos atómicos sueltos... ¿alguien sabe algo más?

Martha, ¡que lo disfrutes y gracias a ti!

Gracias, Mariano, corregido el "de desdoblaban" :)

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