En la última entrega de la serie sobre los Premios Nobel hablamos sobre el Nobel de Química de 1915, entregado a Richard Willstätter. Lo lógico sería, por lo tanto, que hoy hiciéramos lo propio con el Nobel de Física de 1916, pero no lo hubo. Es la primera vez que nos pasa esto en la serie, aunque no será la última. De ahí que saltemos a 1917.
No he conseguido saber por qué: o bien la Academia no encontró a nadie digno del Nobel ese año, o bien la Gran Guerra lo hizo imposible por alguna razón. Ha sucedido otras veces que un año no hay nadie merecedor del Premio, pero los estatutos permiten esperar al año siguiente (y eso, como veremos, es exactamente lo que sucedió en 1917); si el año siguiente tampoco hay galardonado no tendría sentido seguir esperando, ¡porque ya se solapa un Premio con el del año próximo! En ese caso el Nobel queda desierto y el premio se acumula con el del año próximo.
Aquí paso justamente eso: a finales de 1916 no se declaró ganador –insisto, no sé si por falta de merecedores o la guerra–. Se esperó a finales de 1917, pero tampoco se declaró ganador a nadie, con lo que 1916 quedó oficialmente desierto y había incluso peligro de que pasara lo mismo con 1917. Sin embargo, a finales de 1918 se otorgó el Nobel de Física de 1917 al británico Charles Glover Barkla, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,
Por su descubrimiento de la radiación Röntgen característica de los elementos.
Charles Glover Barkla (1877-1944).
Es una manera un poco antigua de referirse, como bien sabes si has leído la serie desde el principio, a lo que hoy en día llamamos rayos X. Pero ¿qué es eso de la radiación característica de los elementos? De eso hablaremos hoy aunque, como siempre, tengo que pedirte paciencia: como suele pasarnos, no es posible comprender la importancia del descubrimiento de Barkla sin el contexto en el que se produjo, de modo que tenemos que retroceder un poco en el tiempo. Eso sí, éste será un artículo corto porque el descubrimiento se describe rápidamente y no he encontrado suficiente interés para hablar más sobre ello – prefiero hacer esto que alargar el texto para que sea más extenso sin decir nada de peso.
Además tengo que dar un aviso: voy a suponer que has leído artículos anteriores de la serie, porque no voy a repetir aquí las explicaciones que ya hemos dado al hablar de Premios anteriores. Por ejemplo, aunque hoy hablaremos largo y tendido de la acción de los rayos X sobre la materia, voy a dar por sentado que sabes qué son los rayos X. Si no los has leído aquí tienes los enlaces esenciales:
- Wilhelm Röntgen
- Los rayos X
- Max von Laue (naturaleza ondulatoria de los rayos X)
- Bragg padre e hijo (cristalografía de rayos X)
Dicho todo esto, retrocedamos a finales de 1895 y el origen de nuestra historia de hoy: la publicación del revolucionario Über eine neue Art von Strahlen (Sobre un nuevo tipo de rayos) de Wilhelm Röntgen. ¡Quién le hubiera dicho a Röntgen que su descubrimiento no sólo le proporcionaría un Nobel a él, sino que sería el origen de una multitud de ellos!
Y es que así fue: si te fijas en los enlaces de arriba, contando con el de Röntgen ya hemos hablado de tres premios de Física relacionados con los rayos X, hoy haremos lo mismo con el cuarto y ni siquiera hemos terminado aún. El descubrimiento de los rayos Röntgen a finales del XIX fue el equivalente a abrir una persiana y ver ahí fuera un paisaje maravilloso y lleno de posibles aventuras.
Tan sólo dos años después de la publicación del artículo de Röntgen, un físico francés del círculo de los Curie realizó un descubrimiento muy interesante: al hacer incidir radiación X sobre distintas sustancias se detectaba la presencia de dos tipos de rayos emitidos a su vez por la sustancia. La radiación inicial tendió a denominarse radiación primaria y la inducida en la sustancia radiación secundaria. El físico era Georges Sagnac, aunque es mucho más conocido por un descubrimiento diferente realizado más tarde, el del efecto Sagnac, que es muy interesante pero no tiene que ver con nuestro asunto de hoy.
Si recuerdas el trabajo de Max von Laue, él también hizo incidir rayos X sobre determinadas sustancias –cristales– para producir su difracción y demostrar así la naturaleza ondulatoria de los rayos. Sin embargo este fenómeno era algo diferente: no sólo se producía en cristales, sino en todas las sustancias, y era más evidente en las constituidas por átomos pesados. Además pronto se comprobó que la radiación secundaria detectada por Sagnac era de varios tipos, con lo que los físicos de todo el mundo saltaron sobre el problema como hienas sobre una cebra muerta.
El primer tipo de radiación secundaria era lo que a principios del siglo XX todavía se llamaba radiación corpuscular, ya que por supuesto no eramos conscientes aún de que es una expresión redundante. Pronto se identificó esta radiación secundaria: no era otra cosa que electrones. La absorción de rayos X siempre iba acompañada de la emisión de electrones procedentes, por supuesto, de los átomos que constituían la sustancia.
Esto es razonablemente fácil de explicar de forma cualitativa: los electrones son atraídos por los núcleos atómicos de carga positiva, con lo que no pueden escapar de los átomos. Ahora bien, al hacer incidir rayos X sobre la sustancia es posible que los electrones absorban esa energía y tengan la suficiente para escapar; al ser libres son emitidos por la sustancia y nosotros los detectamos. Ahora bien, cuando los científicos se fijaron en los detalles se dieron cuenta de que pasaba algo muy, muy raro… algo que ya conoces si eres tamicero añejo pero de lo que hablaremos, en cualquier caso, dentro de unos meses, ya que el resultado fue el Nobel de Albert Einstein. Pero eso no es lo que nos interesa ahora mismo.
Lo que nos interesa es el segundo tipo de radiación secundaria, el objeto de estudio de nuestro héroe de hoy, Charles Glover Barkla.
Barkla alrededor de 1917.
Barkla había nacido en el seno de una familia acomodada de Lancashire, en Inglaterra. Tras estudiar Matemáticas y Física en el University College de Liverpool pasó algún tiempo en el Cavendish Laboratory de Cambridge bajo la tutela nada más y nada menos que de J. J. Thomson, el descubridor del electrón. Después de un breve paso por el King’s College volvió a Liverpool en 1902 y allí es donde desarrolló el trabajo que le valió el Nobel que nos ocupa hoy.
Sí, lo siento: no hay heroicidades de juventud, familias modestas ni logros descomunales. Barkla tuvo un camino razonablemente fácil, no se enfrentó a dilemas morales en los que demostrar nada y, de haber elegido otro campo de trabajo, probablemente nunca hubiéramos oído hablar de él. De hecho hasta 1902 se dedicó a investigar las ondas eléctricas producidas a lo largo de cables, pero entonces decidió estudiar los novedosísimos rayos Röntgen y su acción sobre distintas sustancias.
No sé por qué, pero de los dos tipos de radiación secundaria emitida por los objetos bañados en rayos X Barkla no se interesó especialmente por los electrones; de ahí que hoy no hablemos de ellos. El inglés se dedicó a estudiar el segundo tipo de radiación secundaria, que no era –en términos de la época, por supuesto– corpuscular como el primero, sino que era radiación Röntgen, es decir, rayos X como la radiación primaria.
Barkla descubrió en primer lugar que no había un solo tipo de radiación X secundaria: toda sustancia bañada en rayos X emitía a su vez dos tipos de rayos X diferentes.
En primer lugar, al bañar una sustancia con rayos X se detectaba radiación X procedente de la sustancia con la misma frecuencia que la radiación primaria aunque menor intensidad. Esto no era demasiado sorprendente, y menos aún tras comprender que los rayos X no eran sino radiación electromagnética de alta frecuencia: al fin y al cabo, cuando iluminamos un objeto con luz normal y corriente también se observa luz proveniente del objeto pero de menor intensidad que la original. ¡Es simplemente la reflexión de parte de esa luz!
Para estar seguro, Barkla midió la intensidad de esta radiación: era máxima cuando el ángulo entre la superficie y los rayos reflejados era el mismo que el formado entre la superficie y los rayos originales. Es decir, lo mismo que sucede al iluminar un objeto con luz – la reflexión se produce con un ángulo igual al de incidencia. Naturalmente si el objeto no es una superficie especular los rayos reflejados no son paralelos, pero sí hay una mayor intensidad en esa dirección aproximada. La combinación de ambos factores –ángulo de máxima intensidad e idéntica frecuencia a la primaria– dejaron muy claro que esta radiación era una reflexión de la original.
Pero el segundo tipo de rayos X emitidos por las sustancias era muy distinto por dos razones tan importantes que merecen sus propios puntos:
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Esta radiación secundaria tenía exactamente la misma intensidad en todas direcciones.
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Además, la frecuencia no dependía lo más mínimo de la de la radiación X incidente, sino que era siempre exactamente la misma frecuencia.
Es decir, mientras que la radiación reflejada –como es lógico– dependía tanto en frecuencia como en dirección de la radiación original, este segundo tipo de radiación X era casi completamente independiente de la primaria. Digo casi por una razón evidente: si no había radiación original con la suficiente frecuencia entonces no aparecía ningún tipo de radiación “rara”. Pero si aparecía, sus propiedades eran siempre idénticas para esa sustancia.
Y ésta es una de las claves de la importancia del descubrimiento de Barkla: al bañar casi cualquier cosa –luego veremos por qué el “casi”– con rayos X, la radiación secundaria tenía una componente que dependía únicamente de la sustancia, es decir, permitía una identificación absolutamente certera de la sustancia de que se tratase.
Pero hay una segunda clave, ya que al realizar sus experimentos Barkla no sólo trató con sustancias muy diferentes entre sí, sino también con sustancias muy similares. Al bañar sustancias compuestas por los mismos átomos pero distintas moléculas o diferentes estados de agregación el inglés se encontró con que la radiación secundaria “identificativa” de la sustancia era exactamente la misma. Así, las frecuencias detectadas al irradiar Fe2O3 o FeO eran idénticas: en un caso se detectaría más cantidad de una que de otra, pero eran las dos mismas frecuencias. Y daba igual que el óxido de hierro estuviera fundido, sólido, frío, caliente o que fuera un día lluvioso o martes.
Tan importante es esto que merece un párrafo propio y negrita.
La radiación X secundaria dependía única y exclusivamente de los átomos.
Era, por tanto, una manera completamente certera de identificar la presencia de elementos químicos en la materia sin el menor género de duda. Por tanto, Barkla llamó a esta radiación secundaria radiación característica, y se dedicó a tratar de identificarla en todos los átomos que pudo.
Pronto se encontró con un problema: no todos los átomos emitían esta radiación característica con la misma intensidad. En los átomos ligeros era muy tenue, tanto que era casi indistinguible de la radiación difusa reflejada por la sustancia. En los elementos más pesados, por el contrario, era clara y meridiana. Glover pudo identificar las frecuencias de la radiación característica de los elementos de peso atómico 27 y superiores, pero tuvo grandes problemas para los más ligeros.
Esto puede parecer un problema –y lo es si se quiere utilizar esta técnica para identificar la presencia, por ejemplo, de hidrógeno u otros elementos muy ligeros– pero también es un dato maravillosamente revelador. Recuerda que estamos hablando de una época en la que no se conocía la estructura del núcleo atómico, la razón de que los elementos encajasen en la tabla periódica del modo que lo hacen ni la posición de los electrones alrededor del núcleo…
Pero, sin embargo, el método de Barkla proporcionaba resultados que sólo dependían del tipo de átomos y no de la relación entre ellos –es decir, estructura molecular, temperatura o fase–. Por lo tanto, lo que fuera que distinguía la radiación característica de unos átomos de la de otros debía tener como origen necesariamente una diferencia en la estructura atómica de unos y otros. Podríamos entonces utilizar esta técnica para intentar desentrañar los misterios, no de la estructura molecular, sino del interior del propio átomo. Y lo hicimos.
El propio Barkla descubrió que podía detectar no una única frecuencia característica para cada átomo, sino dos diferentes: era como si cada átomo tuviera una “huella dactilar de rayos X” con dos picos de radiación. Uno de los dos picos tenía una mayor frecuencia que el otro, y para todos los átomos el pico más energético estaba en una región del espectro de rayos X similar, mientras que el pico menos energético tenía su propia región. Es como si los dos picos, independientemente del átomo del que se tratase, estuviesen siempre agrupados en dos series de líneas, una más energética que la otra.
Barkla denominó a la serie de mayor frecuencia serie K, y a la de menor frecuencia serie L. Como veremos más adelante en la serie, ambas tenían que ver realmente con la estructura electrónica del átomo y los niveles energéticos de los electrones, pero incluso cuando descubrimos la razón última de la existencia de estas series y les dimos nombres más adecuados, los nombres propuestos por Barkla se mantuvieron e incluso hoy se sigue hablando de K y L (y otras descubiertas posteriormente).
Pero la importancia del descubrimiento de la radiación característica de Barkla se hizo más clara cuando otros científicos siguieron investigando sobre ella. Uno en particular, el físico británico Henry Moseley, la empleó para demostrar empíricamente la validez del modelo atómico de Niels Bohr… pero ese modelo y las pruebas empíricas de su validez merecen su propio artículo, y Bohr ganó un Nobel por ello, de modo que mejor lo dejamos para esa ocasión. Baste decir que el descubrimiento de Barkla nos permitió mirar dentro de los átomos, no sólo identificar elementos químicos.
Barkla había abandonado ya Liverpool cuando ganó el Nobel: en 1909 obtuvo la cátedra de Física de la Universidad de Londres, y en 1913 se marchó a Edimburgo, donde se convirtió en catedrático de Filosofía Natural y donde permaneció hasta su muerte en 1944. Vivió para ver, por lo tanto, el florecimiento de la nueva física que surgiría, entre otras cosas, a partir del análisis de su radiación característica.
Charles Glover Barkla en 1920, entre Fritz Haber y Max Planck.
Como puedes comprender, cuando Barkla finalmente viajó a Estocolmo en 1920 y se reunió con el resto de ganadores de los últimos Nobeles de Física y Química para recibir por fin sus galardones la cuántica ya estaba naciendo. Max Planck había postulado su hipótesis, Niels Bohr había planteado su modelo y Einstein estaba viento en popa a toda vela con su explicación del efecto fotoeléctrico. Por tanto era aún más evidente la relevancia del descubrimiento de Barkla.
No puedo dejar de mencionar, además, un hecho notable dada la naturaleza humana. Gran Bretaña y Alemania salían de una guerra brutal que había acabado tan sólo dos años antes, e imagino que el rencor normal en esos casos sería tremendo por ambas partes. Sin embargo en la foto se ve a Barkla entre Haber y Planck, acompañado de Willstätter, Stark y von Laue. Entre estos científicos no sólo no había rencor ni mucho menos, como puede comprobarse por las palabras que pronunció el propio Barkla entre sus “enemigos” poco después de tomar esa foto en 1920:
Como inglés, permítanme ahora expresar el placer con el que conocí la elección de los profesores Planck y Stark como ganadores de los Premios Nobel de los años 1918 y 1919. Menciono estos dos porque son los más recientemente anunciados, y porque el trabajo por el que son otorgados, al estar dentro de mi propio campo de la ciencia, me es familiar. La teoría de la radiación de Planck y la constante de Planck están en los labios de todos los físicos. De hecho es imposible dar un curso a estudiantes universitarios sin referirse repetidas veces a las investigaciones de Planck.
Mi relación con el profesor Stark es de una naturaleza más personal. Creo que puedo decir que debo tanto al profesor Stark como a cualquier otro por la publicidad dada a mi trabajo sobre radiación Röntgen. Y es que fue por invitación del profesor Stark que di cuenta por primera vez de manera completa de mis investigaciones sobre radiaciones secundarias en el Jahrbuch der Radioaktivitat und Elektronik. Estoy muy satisfecho de que las numerosas y meritorias investigaciones del profesor Stark hayan recibido el reconocimiento que merecían.
De modo que Barkla no sería un genio como Planck o Einstein, y su discreción era considerable, pero merece que nos quitemos el sombrero ante su clase. Un cráter lunar lleva su nombre, el cráter Barkla, que antes se llamaba Langrenus A pero fue rebautizado para honrar al inglés. Como el propio Barkla es un cráter discreto, eclipsado por otros más grandes que lo rodean, como el propio Langrenus.
Cráter lunar Barkla (NASA).
Como siempre, no quiero terminar sin dejar las palabras de G. Granqvist, Secretario del Comité de Física de la Real Academia Sueca de las Ciencias:
Cuando los rayos X inciden sobre cualquier sustancia, ya sea sólida, líquida o gaseosa, causan una radiación secundaria. Esto fue descubierto por Sagnac en 1897 y ha sido estudiado desde entonces por una larga lista de investigadores. El profesor Barkla, de Edinburgo, sin embargo, ha llevado a cabo las investigaciones más fundamentales y exhaustivas sobre la naturaleza de esta radiación, y al hacerlo ha descubierto un fenómeno nuevo e inesperado que ha resultado ser de la máxima importancia para la investigación física.
La radiación secundaria consiste en dos tipos de radiación completamente diferentes el uno del otro. Uno es una radiación corpuscular del mismo carácter que los rayos catódicos y es, como los rayos beta de las sustancias radioactivas, una emisión de electrones. La otra, por el contrario, es del mismo carácter que los rayos X.
Barkla ha realizado una larga serie de cuidadosas investigaciones sobre la naturaleza de la segunda de estas dos variedades de radiación. En primer lugar descubrió que hay dos tipos diferentes de rayos X en la radiación secundaria. Los coeficientes de absorción de una de estas dos variedades son los mismos que los de los rayos X incidentes. Así, los rayos tienen la misma capacidad de penetración que los rayos originales y, dado que demuestran en otras características las mismas propiedades que los rayos primarios, deben ser considerados una forma difusa de la radiación primaria.
La intensidad de esta radiación difusa varía con la dirección respecto a la de la radiación primaria incidente. Al medir la distribución de intensidades de la radiación difusa Barkla pudo determinar la emisión total de una serie de sustancias bajo condiciones variables. Uno de los resultados más importantes al que llevaron sus investigaciones, entre otros, permitió a Barkla desde muy pronto estimar aproximadamente [sic] el número de electrones contenidos en un átomo.
La otra variedad de rayos X es completamente independiente del carácter de la radiación incidente. Barkla demostró que esta radiación es homogénea, que su coeficiente de absorción no depende de la radiación incidente sino que viene determinada por la sustancia irradiada. Además realizó el importante descubrimiento de que el carácter de los rayos sólo depende de las cualidades de los átomos que constituyen la sustancia, sin depender de su agrupamiento e influencia unos sobre otros, es decir, independientemente de la composición química de la sustancia. Todo elemento químico proporciona una radiación secundaria que es característica de ese elemento. Así, Barkla dio a esta variedad de radiación el nombre de radiación X característica.
Este tipo de radiación puede ser estudiada del modo más conveniente en los elementos de gran peso atómico relativo, ya que en ellos es más intensa que la radiación difusa. La radiación característica, sin embargo, al ser perfectamente homogénea en contraste con la radiación difusa, puede distinguirse de la otra, y así Barkla pudo estudiar la radiación característica de elementos tan ligeros como los de peso atómico 27.
La radiación característica, en contraste con la radiación difusa, carece además totalmente de polarización y es simétrica respecto a la dirección de incidencia de la radiación primaria, de modo que se expande uniformemente en todas direcciones.
Dado que la radiación característica se origina a partir de rayos X, la emisión de esta radiación debe estar acompañada por una absorción de rayos X. Por esta razón Barkla realizó una cuidadosísima investigación de la absorción de rayos X por parte de diversas sustancias. El resultado fue que todos los factores como la densidad, temperatura, estado de agregación y composición química carecían de una importancia esencial. El grado de absorción venía determinado únicamente por las propiedades atómicas. La absorción es además selectiva y, de igual modo que sucede con la luz, los rayos que son absorbidos preferentemente son los que la sustancia emitiría a la misma temperatura.
Otra similitud notable entre la luz y los rayos X ha sido descubierta por Barkla. De igual modo que, de acuerdo con la ley de Stokes, la fluorescencia sólo puede ser generada por luz de alta frecuencia, la radiación característica requiere para producirse una mayor capacidad de penetración de los rayos primarios.
El descubrimiento de Barkla de que deben distinguirse dos dominios de diferente “dureza” [las comillas son mías] en la radiación característica es de una importancia fundamental en su contribución a la concepción moderna de la estructura de los átomos. Barkla ha denominado a los dos dominios serie K y serie L respectivamente. Así, todo elemento químico, al ser irradiado con rayos X, emite dos rayos de diferente capacidad de penetración, es decir, todo elemento puede emitir por fluorescencia un espectro de rayos X de dos líneas o grupos de líneas, las denominadas serie K y serie L. De las dos, la serie K tiene mayor capacidad de penetración. Barkla consiguió identificar la serie K desde el calcio hasta el cerio, y la serie L desde la plata hasta el bismuto.
Si se definen estos rayos, por ejemplo, en términos de su absorción por parte del aluminio, la absorción de rayos de una misma serie es una función lineal del peso atómico del elemento que emite la radiación. Al llegar a esta conclusión, Barkla por un lado nos proporcionó la prueba más irrefutable de que cada elemento químico posee un espectro de rayos X característico propio, mientras que por otro lado se hizo evidente a través estas investigaciones que estos espectros característicos, a diferencia de los conocidos hasta ahora, no tienen propiedades periódicas en conexión con la posición de los elementos en el sistema periódico.
El descubrimiento de la radiación de rayos X característica de Barkla ha demostrado ser un fenómeno de importancia extraordinaria en lo que respecta a la investigación física, un hecho que se ha puesto más y más de manifiesto a través del trabajo de otros investigadores.
El descubrimiento de la difracción de rayos X en cristales permitió medir sus longitudes de onda, y desde entonces la investigación sobre la serie K y la serie L ha proporcionado resultados de máxima importancia sobre nuestra concepción de la estructura interna de los átomos. Sin embargo, nos llevaría demasiado lejos entrar en este asunto aquí. Baste decir que estas investigaciones han demostrado que lo que determina la posición de un elemento en el sistema periódico es la carga eléctrica del núcleo del átomo y no, como se había pensado antes, su peso atómico.
La primera suele ser la mitad del segundo, pero las divergencias de esta regla se deben a irregularidades en la distribución del peso atómico entre los elementos, ya que es la carga del núcleo la que determina las propiedades químicas del átomo. Ha sido además posible establecer el hecho de que, de los elementos químicos, no hay más de seis desconocidos. El descubrimiento de Barkla de la radiación característica de los elementos revela un fenómeno de la máxima importancia en el estudio de la estructura interna de los átomos, y ha producido ya conclusiones de gran alcance y muy significativas; tanto es así que puede decirse con justicia que no se ha producido un descubrimiento comparable en espectroscopía desde el de los espectros discontinuos de llamas y chispas eléctricas, y la diferenciación posterior de estos espectros en series, líneas y bandas.
En consideración con este hecho la Real Academia Sueca de las Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física de 1917 al profesor Barkla por su descubrimiento de la radiación X característica de los elementos.
Para saber más (esp/ing cuando es posible):