El espectrógrafo de masas de Aston

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Francis W. Aston era un hombre de muchos talentos, desde soplar vidrio hasta tocar el piano, además de ser posiblemente el único ganador del premio Nobel de surf – aprendió en Honolulu en 1909. Pero es por sus logros como científico experimental extraordinario que el físico y químico es más conocido.

Ya han pasado más de 100 años desde que Aston construyó su primer espectrógrafo de masas, un aparato capaz de medir las masas relativas de los átomos y moléculas individuales. Su espectrógrafo, junto con los descubrimientos que hizo con él, le valió el Premio Nobel de Química de 1922 y lanzó el campo de la espectrometría de masas.

El padre del espectrógrafo de masas

Nacido en 1877 en la región central de Inglaterra, Aston estudió química y física en el Mason College de Birmingham. En una época en la que los avances en la física estaban llegando a pasos agigantados, el estudiante estaba particularmente emocionado por el descubrimiento de Röntgen de los rayos X usando un tubo de Crookes en 1895.

Francis William Aston (1877-1945)
Francis William Aston (1877-1945)

Le inspiró a investigar la descarga eléctrica de gases en los tubos después de graduarse. Su elección fue fortuita. Joseph J. Thomson, uno de los principales físicos británicos, compartía la fascinación de Aston, y en 1909, invitó a Aston a trabajar como su asistente en la Universidad de Cambridge. Thomson había oído hablar del talentoso experimentalista a través de un conocido mutuo.

J.J. Thomson ya había sido galardonado con el Premio Nobel de Física, en 1906, por su trabajo en los tubos de descarga de gas. Había deducido correctamente que los rayos catódicos eran una corriente de partículas subatómicas cargadas negativamente – el electrón. Luego dirigió su atención a los rayos positivos producidos simultáneamente. Su trabajo fue preparar el camino para un nuevo campo de la espectrometría de masas.

Thomson utilizó campos eléctricos y magnéticos para desviar los rayos, registrando las desviaciones en placas fotográficas colocadas en su camino. El montaje produjo trazas en forma de parábolas en las placas, ya que las partículas que componen los rayos fueron desviadas a través de una gama de ángulos debido a la dispersión de sus velocidades.

Sin embargo, lo más importante es que los rayos de los diferentes elementos golpearon las placas en diferentes lugares. Sus firmas únicas eran una consecuencia de su carga y masa – las propiedades fundamentales determinaron cuánto los iones que componen los rayos fueron desviados por los campos.

Los isotopos del neón

Aston iba a hacer varias contribuciones al montaje que mejoraron su rendimiento de forma significativa y, en 1912, el par se aprovechó de ellas para investigar el neón natural. Excepto que el gas produjo dos parábolas en lugar de una. Fue la primera evidencia de múltiples isótopos en elementos no radiactivos, pero, en ese momento, el concepto de un isótopo era todavía muy nuevo y Thomson tenía importantes dudas de que esto fuera lo que habían medido.

Aston se propuso investigar más a fondo el intrigante hallazgo, intentando, en gran medida sin éxito, separar las dos especies. Su trabajo se vio interrumpido por la Primera Guerra Mundial y no volvió al laboratorio hasta 1919. Para entonces, el concepto de isótopo había sido ampliamente aceptado, aumentando la sospecha de que ambos eran de neón.

Por consiguiente, Aston comenzó a diseñar un dispositivo más potente para proporcionar pruebas convincentes de los dos isótopos – su galardonado espectrógrafo de masas. Era el primero de tres que iba a desarrollar, en el que cada uno era un orden de magnitud más preciso que el anterior.

El primer espectrógrafo de masas

Su espectrógrafo todavía usaba campos electrostáticos y magnéticos, pero Aston cambió su orientación y los aplicó secuencialmente en diferentes lugares. El resultado fue una «lente» electromagnética que enfocaba los rayos generados por un elemento dado en un solo punto en lugar de una parábola. Los puntos más intensos permitieron mediciones superiores.

En el mismo año que regresó al laboratorio, comenzó los experimentos con su nuevo espectrógrafo, confirmando rápidamente la existencia de dos isótopos de neón con masas de 20 y 22 con una precisión de uno en mil. Fueron los primeros de los 212 isótopos que descubrió en su carrera – iba a dominar el campo.

Aston también demostró que las masas de los isótopos sólo se producían como valores enteros (aproximadamente): su regla de números enteros. El hallazgo fue una importante contribución para entender la estructura del átomo. Dio lugar a un modelo temprano del núcleo atómico que contenía electrones y protones y cuya masa variaba según el número de protones. En ese momento, el neutrón aún no había sido descubierto.

Francis W. Aston con el primer espectrógrafo de masas que se instaló en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, en 1919.
Francis W. Aston con el primer espectrógrafo de masas que se instaló en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, en 1919.

Pero había más: sus meticulosas mediciones también demostraron pequeñas pero significativas desviaciones de la regla de los números enteros. Se debían a la energía de unión del núcleo atómico, un concepto de fundamental importancia en la energía y armas nucleares. Aston continuó investigando más profundamente con su segundo espectrógrafo de masas. En su discurso de aceptación del premio en Estocolmo en 1922, reconoció con presteza que tenía profundas implicaciones, buenas y malas, para la raza humana.

Masificación del invento de Aston

Reproducción del primer espectrógrafo de masas hecho por Francis W. Aston
Reproducción del primer espectrógrafo de masas hecho por Francis W. Aston

Si anticipó cuán ampliamente se usaría la espectrometría de masas hoy en día, en todas las ciencias, en la investigación, en la industria y más allá, es otra cuestión. Después de que se dispusiera de espectrómetros de masas comerciales en la década de 1940, se convirtió en una técnica básica para los químicos en la identificación y caracterización de las moléculas. Desde el decenio de 1980, las técnicas de ionización de electrospray (ESI) y de desorción por láser blando (SLD), galardonadas con el Premio Nobel, también han permitido el análisis de grandes biomoléculas, haciendo de la espectroscopia de masas una herramienta inestimable para los biólogos.

Entre las diversas aplicaciones se incluyen la conservación del arte, los ensayos de drogas, los ensayos de explosivos en aeropuertos, la vigilancia del medio ambiente y el clima, el desarrollo farmacéutico y la paleontología. En la medicina, la espectrometría de masas se utiliza habitualmente para examinar a los recién nacidos en busca de trastornos metabólicos, mientras que también se están desarrollando bisturíes inteligentes que ayudan a los cirujanos a determinar si han extirpado todo un tumor de un paciente. La lista continúa, haciendo de la espectrometría de masas otro ejemplo clásico de cómo, en la investigación de la ciencia básica, nunca se sabe dónde puede acabar todo.

Para más información Aston’s mass spectrograph

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