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1 de Febrero de 2016
Historia de la ciencia

Los orígenes de la espectroscopía (II): De la química a la astrofísica moderna

La interpretación que Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen dieron a las líneas de Fraunhofer permitió conectar la física, la química y la astronomía.

Joseph Fraunhofer logró un gran éxito como óptico, empresario y científico. A los 37 años le fue otorgado el tratamiento de noble. [MUSEO ALEMÁN, MÚNICH]

En síntesis

En 1823, gracias al estudio de los fenómenos de difracción e interferencia, Joseph Fraunhofer logró determinar las longitudes de onda de las líneas oscuras que poco antes había descubierto en el espectro solar.

La naturaleza de dichas líneas siguió siendo desconocida durante decenios. Hacia 1860, el químico Robert Bunsen y el físico Gustav Kirchhoff identificaron en ellas las líneas espectrales de los elementos químicos.

La espectroscopía acabaría convirtiéndose en una de las principales técnicas de observación en astrofísica. Su estudio impulsó otros avances fundamentales, como el descubrimiento de las leyes de radiación y el análisis del cuerpo negro.

A principios del siglo XIX, los físicos ya habían acumulado varios indicios sobre la naturaleza ondulatoria de la luz. Tomándola como premisa, Augustin Fresnel elaboró en 1818 una explicación convincente de los fenómenos de difracción. Habían preparado el camino la idea de Christian Huygens de las ondas elementales que parten de cada punto de un frente de ondas y, en 1802, los experimentos de la doble rendija de Thomas Young.

Joseph Fraunhofer comenzó a investigar la naturaleza de la luz hacia la misma época. En 1821 presentó sus resultados ante la Real Academia de Múnich en una memoria en la que, sin introducción teórica, daba cuenta del resultado de varios experimentos con múltiples variaciones del montaje y de los elementos difractivos. Sus mediciones le permitieron deducir las leyes de la difracción de una forma completamente distinta a la de Fresnel, para quien la teoría ocupaba el primer plano.

Las investigaciones del óptico bávaro mostraban un mayor sentido práctico. Bajo el epígrafe «Influencia mutua de un gran número de rayos difractados» escribió: «Para que sobre la superficie del objetivo del telescopio del teodolito incidiese una gran cantidad de rayos difractados en idéntica medida, tendí en paralelo sobre un bastidor muchos hilos del mismo grosor separados por igual; de esta manera, la luz tenía que difractarse por los espacios entre ellos. Para estar seguro de que los hilos eran exactamente paralelos y que la distancia que los separaba era siempre la misma, introduje, entre los lados opuestos del marco cuadrado, un tornillo de paso muy fino, de unos 169 filetes por pulgada parisina, e hice pasar los hilos entre los filetes del tornillo». Después fabricó un tornillo de 340 vueltas por pulgada (125 rendijas por centímetro): «Cuanto más estrecho es el paso del tornillo entre cuyos filetes se tienden los hilos, tanto mayores se vuelven los espectros; [...] da del todo igual que los hilos sean más finos o más gruesos». De esta manera, cayó en la cuenta de que la magnitud relevante era la hoy llamada constante de red (en este caso, el grosor de los hilos más la anchura de la rendija).

De la rejilla de alambres pasó a trabajar con vidrios planos, los cuales rayaba con puntas de diamante con una máquina de graduar ideada por él mismo y que le permitió conseguir hasta 3000 líneas por centímetro. Grabó líneas paralelas en vidrios recubiertos con oro; investigó los espectros de reflexión y, tras retirar el recubrimiento, también los de transmisión. Comprobó que eran parecidos.

Fraunhofer podía preparar en su propio taller todos los elementos ópticos y mecánicos que necesitaba. Esa simbiosis entre manufactura y laboratorio fue precisamente una de las razones de su éxito. En vez de trabajar a simple vista, como sus predecesores, utilizó telescopios de teodolito, lo que le permitió captar una mayor intensidad luminosa y medir con precisión los efectos de difracción. Sus exhaustivos experimentos revelaron nuevos y fundamentales aspectos sobre las propiedades de las redes de difracción; entre ellos, la obtención de espectros de diferente orden con longitudes crecientes, la atenuación del brillo y el aumento del solapamiento mutuo, y la influencia de la constante de red en el ángulo de difracción y de la forma de la ranura en el brillo de los espectros parciales, origen de las redes que hoy llamamos «rejillas de escala» (échelette o blazed gratings).

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