Espectrómetro de Bragg

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El primer espectrómetro de ionización fue diseñado y construido por William Henry Bragg en 1912-13, y utilizado para medir las variaciones en los ángulos de dispersión de los cristales para determinar sus estructuras. Esta es la base de la Cristalografía.

Este aparato es el Espectrómetro de Ionización de Bragg, el prototipo de todos los difractómetros de rayos X modernos.


William Henry Bragg (1862-1942) Químico, físico y matemático del Reino Unido
William Henry Bragg (1862-1942) Químico, físico y matemático del Reino Unido

Sir William Henry Bragg (1862-1942) fue un científico británico pionero en la física del estado sólido. Después de graduarse en el Trinity College de Cambridge, se convirtió en profesor de Matemáticas y Física en la nueva Universidad de Adelaida en Australia del Sur en 1885.  Prosperó en este nuevo entorno, convirtiéndose en un buen conferenciante y enseñándose a sí mismo a fabricar instrumentos, permitiéndose a sí mismo hacer todo el equipo que necesitaría para un laboratorio práctico.  Su área de investigación original fue la investigación de los rayos alfa, beta y gamma.

En 1907, tras ser elegido miembro de la Royal Society, Bragg regresó a Inglaterra para convertirse en profesor de la Universidad de Leeds y siguió desarrollando su punto de vista de que tanto los rayos gamma como los rayos X tienen propiedades similares a las de las partículas.

Bragg quedó intrigado por el trabajo de Max Von Laue que estaba llevando a cabo la investigación de los rayos X en cristales y que anunció en 1912 que los cristales podían difractar los rayos X, lo que implicaba que los rayos X debían ser ondas como la luz en lugar de partículas.


William Lawrence Bragg (1890-1971) Físico británico nacido en Australia. Dedujo la relación entre los patrones de difracción de rayos X
William Lawrence Bragg (1890-1971) Físico británico nacido en Australia. Dedujo la relación entre los patrones de difracción de rayos X

Bragg comenzó los experimentos, junto con su hijo William Lawrence Bragg un estudiante del Trinity College de Cambridge, para tratar de recrear los resultados de Laue.  Como parte de su trabajo, William Henry Bragg diseñó y fabricó este espectrómetro para producir análisis moleculares de cristales.

La investigación realizada por el equipo padre e hijo les valió el Premio Nobel de Física en 1915.

Un poco de historia detrás del espectrómetro de Bragg

Las familias científicas abundan: los Bernoullis, los Darwin, los Cury, los Perkins, los Kornbergs, los Perutzes. Pero hay pocas en las que las historias de padre e hijo se hayan entrelazado tan estrechamente como la de los Braggs, cuya colaboración, y a veces tensa, asociación, casi por sí sola creó la cristalografía de rayos X.

Nacido en Cumbria, William Henry Bragg (WH) estudió matemáticas en la Universidad de Cambridge, donde atrajo la atención de Joseph Thomson, quien le propuso, a la edad de 25 años, para la cátedra de matemáticas y física en la recién fundada Universidad de Adelaida en Australia. Tentado por el salario y la perspectiva de un clima cálido, WH se embarcó, estudiando física a medida que avanzaba.

William Henry Bragg con su espectrometro
William Henry Bragg con su espectrometro

La vida en Australia era bastante relajada, las conferencias se alternaban con fiestas y rondas de golf. Pero el descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Röntgen en 1895 intrigó tanto a WH que montó uno de los primeros “tubos” de rayos X, y comenzó a explorar la radiactividad. Su trabajo lo llevaría a su nombramiento como profesor de física en Leeds, trayendo a la familia de vuelta al Reino Unido donde su hijo William Lawrence Bragg (WL) se matriculó en Cambridge para estudiar física, también con Thomson.


En agosto de 1912, el físico alemán Max Laue informó de la dispersión de los rayos X por cristales que daban un chorro de manchas en una placa fotográfica. Tuvo que ser por difracción, pero nadie pudo explicar los patrones.

Intercambio de ideas entre padre e hijo

Durante unas vacaciones familiares, padre e hijo discutieron los resultados de Laue. WH, convencido de que los rayos X eran partículas, exploró la idea de que viajaban a través de canales en el cristal. WL, por otro lado, imaginó que los rayos X se reflejaban en planos de átomos, dando lugar a interferencias. Cuando WL presentó su relación engañosamente simple, nλ = 2d sinθ, a la Sociedad Filosófica de Cambridge el 11 de noviembre de 1912, Charles T R Wilson (inventor de la cámara de nubes) inmediatamente sugirió que mirara la mica, un material con planos obvios. Por supuesto, el giro de la mica desplazó los puntos a través del doble del ángulo.

Imágenes del espectrómetro de Bragg que se encuentra en el museo Faraday
Imágenes del espectrómetro de Bragg que se encuentra en el museo Faraday

WH, mientras tanto, adaptó el espectroscopio Kirchhoff para explorar el fenómeno. Los rayos X, generados por un tubo de descarga en una caja de plomo, viajaron a través de un agujero de colimación ajustable, hacia un cristal situado en el centro donde de otra manera estaría el prisma. El telescopio y el ocular fueron reemplazados por una pequeña cámara de ionización llena de gas, conectada a su vez a un electroscopio de lámina de oro para medir la intensidad de los rayos X “reflejados”. Girando el detector, el ángulo θ de la relación de su hijo podía leerse en la escala de la mesa central. WH había construido el primer difractómetro con un detector sensible a la posición. Los dos comenzaron a poner todos los cristales que se les ocurrieron en el rayo.

Esquema del espectrómetro de Bragg
Esquema del espectrómetro de Bragg

Observando el mundo a través del espectrómetro de Bragg

Es difícil para nosotros imaginar la conmoción creada por el papel de los Braggs sobre el cloruro de sodio en 1913; la sal no contenía moléculas y el cristal era un entramado infinito. A su trabajo le siguió rápidamente uno sobre el diamante que finalmente demostró la hipótesis del carbono tetraédrico de Jacobus van ‘t Hoff.


La estructura siguió a la estructura. Bragg el padre recogió los datos, mientras que Bragg el hijo hizo el análisis. WL recordaría más tarde que “fue como descubrir un campo de oro aluvial con pepitas de oro esperando ser recogidas… Fue un tiempo glorioso, en el que trabajamos hasta altas horas de la noche con nuevos mundos desarrollándose ante nosotros en el laboratorio silencioso“.

El estallido de la primera guerra mundial en 1914 puso fin a todo. WL fue enviado a las trincheras de Francia donde desarrolló un método acústico para determinar la distancia de los cañones enemigos. La horrorosa noticia de que su hermano, Robert, había muerto en acción en Galípoli, empeoró la situación en el campo de batalla. En noviembre, WL recibió la noticia de que él y su padre habían sido galardonados con el premio Nobel. Escribió a casa lacónicamente que el cura local con el que estaba alojado había abierto una botella de vino de Lachryma Christi para celebrarlo.

Sello postal Sueco en honor a los Bragg (1975)
Sello postal Sueco en honor a los Bragg (1975)

La feroz batalla de ingenio para desvelar la conectividad del mundo atómico sería uno de los grandes triunfos intelectuales no reconocidos del siglo XX. Irónicamente, con la llegada de las computadoras, algunos químicos tendrían el descaro de referirse a la cristalografía como un método “no deportivo” de caracterización, olvidando convenientemente el bosque matemático que sustenta los métodos.

Los Braggs se convertirían en directores de la Royal Institution y jugarían un papel importante en la popularización de la ciencia en el Reino Unido y más allá. Para WL, ganar el premio Nobel tan pronto, y con su padre, “le dio un poco de dolor”. Pero eso es lo que pasa con las familias: no puedes vivir con ellas, no puedes vivir sin ellas.

Para más información William Bragg’s spectrometer | The Royal Institution


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