Nobel de Física 1925: James Franck y Gustav Hertz

(por Ana María García Marín)


Aporte a la sociedad:

El experimento que reportó el premio Nobel de Física a James Franck y Gustav Hertz tuvo por finalidad y logro la demostración de la cuantificación de los niveles de energía en los átomos. El comienzo de esta investigación se debió a la necesidad de encontrar una prueba que demostrara el modelo atómico de Bohr recientemente postulado por el mismo. Esta teoría fue muy polémica en sus principios ya que era la primera que incluía la idea de los cuantos, no obstante, una vez verificada, fue utilizada como cimientos para el modelo cuántico, el cual se mantiene vigente, y supone la base sobre la que se sustenta toda la tecnología moderna. Por tanto, aunque quizá no de una forma directa pero sí imprescindible, Franck y Hertz son, junto a otros científicos, los responsables de toda la aparatología tecnológica de la que disfrutamos en la actualidad.




Experimento:

Como hecho para justificar su revolucionaria teoría, Bohr aludió a los resultados obtenidos del espectro de hidrógeno, sin embargo, esta demostración no fue aceptada, pretextando que estos no se debía a otra cosa que la cuantificación de la luz, la cual sí era ya conocida en ese período.

Tras esta negativa al realizar una comprobación ligada a la luz, James y Gustav trabajaron en un experimento en el que esta estuviera ausente, únicamente utilizando átomos mercurio y electrones. Es el siguiente:

En un tubo de vacío (calentado por un horno) introdujeron mercurio gaseoso, en un extremo de este se colocó un cátodo; en el otro una rejilla y próximo a ella un ánodo. Para dar velocidad a los electrones en su salida del cátodo había una tensión de aceleración con potencial Va variable entre 0-30V. El ánodo se encontraba de la rejilla a un potencial más bajo Vp con una diferencia de 1,5V (potencial Dv) lo cual representaba un frenado para los electrones. A continuación se colocó un amperímetro que medía la corriente con la que los electrones llegaban al ánodo (Ic).

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Si los electrones acelerados poseían suficiente energía, cuando llegaran a la rejilla superarían el potencial de frenado y se acercarían al ánodo, siendo medidos por el amperímetro como corriente Ic marcando un máximo. Si los electrones no tenían la suficiente energía al acercarse a la rejilla serían detenidos por el potencial Dv y quedarían en la rejilla lo que supondría un mínimo de Ic


Gracias al espectro electromagnético se conocía que el primer estado excitado del mercurio es el de 4,9 eV por encima de su estado base. Se observó que cuando la energía cinética de electrones era menor de 4,9 eV, las colisiones de estos con átomos de mercurio eran elásticas y los electrones no les cedían su energía, llegando a la rejilla con energía cinética igual a la que les diera el potencial de aceleración; superando el potencial de frenado entre la rejilla y el ánodo, por tanto acercándose a este y siendo medido por el amperímetro (Ic) presentando un máximo.

En el momento que el potencial de aceleración daba a los electrones una energía superior a 4,9 eV, cuando estos chocaban con los átomos de mercurio se producía un choque inelástico en el cual les cedían esa energía cinética, llegando a la rejilla cargados con una energía incapaz de superar el potencial de frenado por tanto sin poder pasar el ánodo y marcando un mínimo de la corriente medida por el amperímetro.



Si se aumentaba el voltaje de aceleración sobre 4.9eV los electrones llegaban al ánodo con su energía intacta produciendo un incremento de la corriente. Al superar este aumento los 9,8eV los electrones sufrían dos choques inelásticos con el mercurio y de nuevo perdían la energía de modo que no podía pasar el ánodo y suponían otro mínimo de la corriente.

Se obtuvo como resultado que por motivo de las múltiples colisiones inelásticas la Ic presentaría mínimos cada vez que el potencial de aceleración fuera múltiplo entero de 4,9 V.


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Quedó así demostrado que los átomos eran capaces de absorber la energía cinética de los electrones únicamente cuando estos portaban una energía determinada. Fue validado el modelo atómico de Bohr.




Biografías:




James Franck



Nació el 26 de agosto de 1882 en Hamburgo (Alemania) y falleció el 21 de mayo de 1964 en Gotinga (Alemania).

En un principió accedió a la universidad de Heidelberg donde comenzó sus estudios de jusrisprudencia. Sin embargo poco después desechó esta carrera y entró en la universidad de Berlín, donde estudió Física. Durante esta época conoció a Gustav Hertz , con quien colaboró en investigaciones acerca de la absorción de energía de los átomos. De 1912 a 1914 trabajaron en el llamado experimento de Franck y Hertz, basado en la observación de las colisiones de los electrones a su paso por átomos de mercurio gaseoso que trajo como consecuencia la demostración de la cuantificación de los átomos, lo que ocasionó la verificación del nuevo modelo atómico formulado por Niels Bohr. En consecuencia también quedaron desacreditadas las teorías de Philipp Lenard sobre los choques entre electrones y se sentaron las bases para la investigación de la estructura de átomos, iones y moléculas. Por estos trabajos ambos obtuvieron el premio Nobel de Física en 1925.


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Fue nombrado jefe de departamento del Instituto de Química y Física del Emperador Guillermo (1918).

En 1920 se le concedió la cátedra de física experimental en Gotinga, donde también fue director del Instituto de Física de dicho lugar.

Debido a la revolución nacionalsocialista y las persecuciones raciales escapó de Alemania en 1933. Primero fue profesor en Copenhague (1934), y posteriormente emigró a Estados Unidos (obteniendo nacionalidad norteamericana), donde enseñó en las universidades Jonás Hopkins (1935), de California y Chicago (1938). Durante la Segunda Guerra Mundial participó en el proyecto Manhattan de la construcción de la bomba átomica. A su vez era director del Comité sobre problemas políticos y sociales que plantea la bomba atómica. El comité emitió el 11 de junio de 1945 el "informe Franck» sobre los problemas planteados por el uso militar de la bomba atómica.

Aparte de sus investigaciones sobre la cinética de los electrones realizó estudios sobre la conductibilidad eléctrica de los gases aportando la confirmación experimental a la teoría de Boro. Se le deben estudios sobre el efecto fotoquímico. Obtuvo el premio Rumford en 1955 por sus trabajos sobre la fotosíntesis. Por último junto a E. Condon, estudió las exigencias energéticas de la vibración y rotación de las moléculas diatómicas, estableciendo el principio Condon-Franck. external image 11743-004-97D6CB2B.jpg

Como anécdota se tiene constancia de que durante la Segunga Guerra Mundial, al comenzar la invasión de Dinamarca por parte de Alemania, el químico húngaro George de Hevesy disolvió con agua regia el premio Nobel de oro de Max von Laue y James Franck evitando así que los nazis los robaran. La solución permaneció en un estante de su laboratorio en el instituto Niels Bohr y fue recuperada tras la guerra. Provocó la precipitación del oro y la Sociedad del premio Nobel pudo refundir el premio partiendo del oro original.











Gustav Ludwig Hertz



Nació en Hamburgo (Alemania) el 22 de julio de 1887 y murió en Berlín (Alemania) el 30 de octubre de 1975.

Hijo del abogado Dr. Gustav Hertz y de Auguste Hertz. Sobrino de Heinrich Rudolf Hertz.

Desde su comienzo en la escuela Johanneum (Hamburgo) hasta su graduación en 1911, pasó por las universidades de Göttingen (1906), Múnich y Berlín.

En esta última obtuvo el cargo de ayudante de investigación en el Instituto de Física (1913)

Su tesis doctoral trató sobre la absorción infrarroja del dióxido de carbono en relación con la presión y la presión parcial.
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En 1914 fue llamado a las tropas para luchar en la Primera Guerra Mundial. Un año más tarde resultó herido en uno de los frentes.

En ese periodo también estuvo trabajando junto con James Franck acerca del intercambio de energía entre electrones y átomos. Con el experimento de Franck-Gustav (estudio del comportamiento de los electrones en su paso por el gas de mercurio) consiguieron explicar los espectros luminosos y a su vez demostrar el modelo atómico de Bohr, por la confirmacion de los cuantos de energía. Obtuvieron por esta investigación el premio Nobel de Física de 1925 compartido.

En 1917 volvió a la Universidad de Berlín como profesor. Se casó en 1919 con Ellen (que murió en 1941) con la que tuvo dos hijos, ambos físicos: el Dr. Hellmuth Hertz, profesor en el Colegio Técnico de Lund, y el Dr. Johannes Hertz, que trabajó en el Instituto de Óptica y Espectroscopía de la Academia Alemana de Ciencias.
Entre 1920 y 1925, estuvo trabajando en el laboratorio de lámparas incandescentes de Philips en Eindhoven (Holanda).

En 1925 fue escogido como director del Instituto de Física de la Universidad de Halle.

En 1928 ocupó el cargo de director del Instituto de Física de la Universidad de Charlottenburg (Berlín), época durante la cual descubrió un método para separar isótopos de neón mediante una cascada de difusión.

Poco después del ascenso nazi abandonó su cargo debido a su oposición a este movimiento. De modo que pasó a ser director del laboratorio de investigación de la compañía Siemens.

En 1943 volvió a casarse, esta vez con Charlotte Hertz.

En 1945 se trasladó a la Unión Soviética, donde estuvo al mando de otro laboratorio de investigación.

Permaeció allí hasta 1954 año en el cual regreso a Alemania para recibir el cargo de director del Instituto de Física de la Universidad Karl Marx en Leipzig.

Fue nombrado profesor emérito (1961), y alma máter de la Universidad Humboldt de Berlín.

Formó parte como miembro de la Academia de Ciencias Alemana en Berlin, de la Academia de Ciencias de Göttingen, miembro honorario de la Academia de Ciencias Húngara, de la Academia de Ciencias Checoslovaca, y miembro extranjero de la Academia de Ciencias de la U.R.S.S..

Recibió la Medalla Max Planck de la Sociedad Alemana de Física.

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Webgrafía:

La información expuesta sobre el experimento ha sido recopilada en:
http://labiii.galeon.com/9franck.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Franck_y_Hertz

Información sobre la vida de ambos científicos:
http://es.wikipedia.org/wiki/James_Franck
http://es.wikipedia.org/wiki/Gustav_Hertz
http://www.biografiasyvidas.com/


Bibliografía:

Gran Enciclopedia Larousse, Editorial Planeta, GEL.