Espectroscopio de Kirchhoff

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Los historiadores a menudo se refieren a 1848 como el Año de la Revolución, cuando Europa fue devastada por los levantamientos populares contra las monarquías absolutistas. Estas revueltas, ecos de las de 1789, encontrarían voz en los escritos de Friedrich Engels y Carlos Marx, y llevarían al levantamiento de 1917 en San Petersburgo que arrasaría con el emperador ruso y su corte. ¿Pero estas revoluciones realmente cambiaron algo?

Tal vez el verdadero año de la revolución en Europa no fue 1848, sino 1859. Sus héroes no eran fanáticos de ojos saltones y empedrados; eran científicos respetables, y el más callado de ellos iniciaría la ciencia física en un camino imparable.


El padre del espectroscopio

Gustav Kirchhoff nació en Königsberg, uno de los antiguos puertos comerciales hanseáticos a orillas del mar Báltico (hoy el enclave ruso de Kaliningrado). Allí estudió física bajo la dirección de Franz Ernst Neumann, pero en cuanto obtuvo el título de privatdozent, la licencia alemana para enseñar, se trasladó a la capital Berlín para continuar su educación. A la edad de 26 años fue nombrado profesor “extraordinario” de la Universidad de Breslau (actualmente Wroclaw en Polonia). Sería un paso decisivo, ya que en 1851 el inquieto pero brillante experimentalista químico Robert Bunsen, 15 años mayor que Kirchhoff, aceptó un puesto de profesor de química en la universidad.

Gustav Kirchhoff
Gustav Kirchhoff

Bunsen, cuyos intereses variaban ampliamente, había desarrollado una batería de zinc-carbono muy robusta que utilizó para verificar el descubrimiento de Michael Faraday del vínculo entre la química y la electricidad. Cuando llegó a Breslau, estaba usando su batería para liberar metales, como lo habían hecho antes Jöns Jacob Berzelius y Humphrey Davy. Desarrolló un interés en la fotoquímica, inspirado por la brillante luz del magnesio, y fue por esta época que conoció a Gustav Kirchhoff, quien, según un movimiento, “fue el descubrimiento más importante hecho por Bunsen durante su corta… residencia en Breslau“. Un año más tarde, Bunsen sucedería al gran químico inorgánico Leopold Gmelin en la Universidad de Heidelberg, y se aseguró de que Kirchhoff fuera nombrado en la correspondiente cátedra de física, permitiendo la continuación de sus experimentos.

El problema fundamental del espectroscopio

Kirchhoff, que ya había establecido su reputación desarrollando la ley de Ohm y demostrando que las señales eléctricas viajaban a la velocidad de la luz en conductores, había comenzado a tratar de desentrañar el enigma del espectro solar. En 1814, el fabricante de lentes Josef von Fraunhofer había desarrollado el experimento de Isaac Newton de dispersar la luz solar con un prisma, llevando la luz al prisma a través de una estrecha rendija, revelando líneas oscuras en el espectro. William Wollaston había hecho esto antes que él, pero la mejora de la óptica de Fraunhofer le permitió cartografiar cuidadosamente 574 de estas líneas, cuyo origen era un misterio.


Kirchhoff no sabía que otros – incluyendo a Léon Foucault, David Brewster, William Herschel, George Stokes, John Tyndall y Anders Ångström – habían realizado experimentos similares. Sin embargo, aunque se acercaron tentadoramente, ninguno se dio cuenta de la verdadera importancia de sus observaciones. Kirchhoff mostró que las líneas brillantes que vio en su espectroscopio cuando observó la luz de una llama se convirtieron en sombras oscuras cuando la llama fue iluminada por detrás por una de las luces brillantes de Bunsen.

En un experimento de extraordinaria delicadeza, Kirchhoff llevó la luz del sol y de una llama a la rendija en la parte delantera de su espectroscopio, y luego introdujo sal en la llama. Las líneas brillantes de la llama se alinearon exactamente con las líneas oscuras del sol – la emisión y la absorción fueron procesos conjugados. Sólo podía haber una conclusión – el sol y las estrellas estaban hechos de los mismos átomos que el mundo cotidiano. En cartas a su amigo Henry Roscoe, Bunsen da un relato sin aliento de las “noches sin dormir” con Kirchhoff mientras introducían todo lo que podían en la llama. Bunsen se dio cuenta de que era un método analítico exquisito, capaz de detectar cantidades de microgramos de los elementos.

Los frutos de la técnica

Juntos, Kirchhoff y Bunsen, descubrieron dos elementos desconocidos: rubidio y cesio (llamado así por las prominentes líneas rojas y azules de sus espectros). Mientras tanto Kirchhoff cartografió el espectro solar, habiéndolo dispersado a lo largo de casi tres metros. Empezó a desarrollar una teoría de la radiación que llevaría a la comprensión del equilibrio radiativo, sentando las bases para el concepto de cuerpo negro y su realización práctica.

Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen
Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen

Esto condujo al trabajo sobre la difracción y la termodinámica, primero en los gases y luego de manera más general; la Ley de Kirchhoff que vincula las entalpías con la capacidad de calor permanece en todos los libros de texto. Publicaba artículos sobre acústica, elasticidad y flujo de fluidos, siempre redactados con una precisión silenciosa. “El objeto de la ciencia”, decía, “es describir los fenómenos naturales, no explicarlos”.

El espectroscopio pronto fue la herramienta preeminente del descubrimiento y análisis de los elementos; allanó el camino para la teoría cuántica, y llevó a los astrofísicos a la sorprendente comprensión de que el universo se está expandiendo. Hoy en día, los químicos viven y mueren por una desconcertante gama de espectroscopias.


Descripción del espectroscopio de Kirchhoff

(Dibujo del espectroscopio de Kirchhoff, fuente https://www.beautifulchemistry.net/kichhoff)
(Dibujo del espectroscopio de Kirchhoff, fuente https://www.beautifulchemistry.net/kichhoff)

Arriba está el espectroscopio de Kirchhoff y Bunsen descrito en Chemical Analysis by Spectrum-Observations publicado en 1860. En esa época, la gente sabía que cuando se colocaban ciertas sustancias sobre una llama, cambiaban la llama en colores diferentes. Para el aparato de arriba, la llama era de un mechero Bunsen porque su bajo brillo y alta temperatura aumentaba la emisión de la sustancia de interés. La luz emitida pasaba a través de un telescopio con una rendija y brillaba en un prisma situado en una base giratoria.

El prisma era un recipiente transparente lleno de un líquido con un cierto índice de refracción. Ajustando la rotación del prisma, se podían observar con el telescopio de la izquierda líneas separadas de luz de diferentes colores. Estas líneas eran el espectro de la sustancia. Kirchhoff y Bunsen encontraron que elementos como el litio, el sodio y el potasio tenían sus espectros únicos. Además, se necesitaba una cantidad muy pequeña de sustancia para detectar la existencia de un determinado elemento.

En ese momento, esto fue un gran salto en la química analítica. Además, el espectroscopio permitió a dos científicos descubrir dos nuevos elementos, el cesio y el rubidio. Más tarde, la espectroscopia se convirtió en un importante método de química analítica.

Para más información Kirchhoff’s spectroscope


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