Las leyes que gobiernan la colisión entre un electrón y un átomo. El principio de Franck–Condon y un experimento para la Historia.

El 26 de agosto 1882, nacía el físico alemán, ganador del Premio Nobel de Física en 1925, James Franck (Hamburgo, Alemania, 26 de agosto de 1882 – Gotinga, 21 de mayo de 1964).

franck2Compartió el Nobel de Física con Gustav Hertz en 1925 por el descubrimiento de las leyes que gobiernan la colisión entre un electrón y un átomo

Franck inició estudios de jurisprudencia en Heidelberg, carrera que abandonó para estudiar física en Berlín. Participó en la Primera Guerra Mundial, y en 1920 fue nombrado en Gotinga profesor de física experimental. Perseguido por los nazis, se refugió en Cophenhague, donde ejerció como profesor en 1934. Una vez en Estados Unidos enseñó en diferentes universidades, como la Johns Hopkins, la Universidad de Chicago y la de California. Durante la Segunda Guerra Mundial trabajó en el proyecto Manhattan para la construcción de la bomba atómica.

Era director del Comité sobre problemas políticos y sociales que plantea la bomba atómica. Este comité contaba también con otros científicos del laboratorio de metalurgia del Proyecto Manhattan en la Universidad de Chicago, entre los que estaban Donald J. Hughes, J. J. Nickson, Eugene Rabinowitch, Glenn T. Seaborg, J. C. Stearns y Leó Szilárd. El comité emitió el 11 de junio de 1945 un informe (el «informe Franck» ) sobre los problemas planteados por el uso militar de la bomba atómica.

Franck estudió la absorción de energía por las moléculas; y demostró, junto a Gustav Hertz, que los átomos gaseosos de mercurio, si se bombardean con electrones, absorben energía en unidades discretas, llamadas cuantos. Modificó, con estos hallazgos, las teorías de Philipp Lenard acerca de los choques entre electrones, y sentó las bases para la investigación de la estructura de átomos, iones y moléculas.

Compartió el Nobel de Física con Gustav Hertz en 1925 por el descubrimiento de las leyes que gobiernan la colisión entre un electrón y un átomo.

En 1914, Hertz y Franck diseñaron el llamado experimento de Franck-Hertz, que confirmaba y apoyaba de forma elegante el modelo atómico de Bohr y abría las puertas a la mecánica cuántica formulada por Max Planck. Justo antes de su movilización, se encontraba realizando estudios y medidas sobre el potencial de ionización de varios gases.

hertz gustave3El experimento de Franck y Hertz se realizó por primera vez en 1914 por James Franck y Gustav Ludwig Hertz. Tenia por objeto probar la cuantización de los niveles de energía de los electrones en los átomos. El experimento confirmó el modelo cuántico del átomo de Bohr demostrando que los átomos solamente podían absorber cantidades específicas de energía (cuantos). Por ello, este experimento es uno de los experimentos fundamentales de la física cuántica.

Con el fin de poner en evidencia la cuantización de los niveles de energía, utilizaron un triodo, compuesto de un cátodo, de una rejilla polarizada y de un ánodo, que creaba un haz de electrones en un tubo de vacío que contiene mercurio gaseoso.

Midieron entonces la variación de la corriente recibida por el ánodo con arreglo a la energía cinética de los electrones, y dedujeron las pérdidas de energía de los electrones en el momento de las colisiones.

Franck y Hertz podían explicar su experimento en términos de colisión elástica y colisión inelástica de los electrones.

Para potenciales bajos, los electrones acelerados adquirieron solamente una cantidad modesta de energía cinética. Cuando se encontraron con los átomos del mercurio en el tubo, participaron en colisiones puramente elásticas. Esto se debe a la predicción de la mecánica cuántica que un átomo no puede absorber ninguna energía hasta que la energía de la colisión exceda el valor requerido para excitar un electrón que esté enlazado a tal átomo a un estado de una energía más alta.

hertz gustave2Al aumentar el voltaje, los electrones participan en una colisión inelástica, pierden su eV 4.9, pero después continúan siendo acelerados. De este modo, la corriente medida sube otra vez al aumentar el potencial de aceleración a partir de 4.9 V. A los 9.8 V, la situación cambia otra vez. Allí, cada electrón ahora tiene energía suficiente para participar en dos colisiones inelásticas, excitando dos átomos de mercurio, para después quedarse sin energía cinética. Ello explica las caídas de corriente observadas. En los intervalos de 4.9 voltios este proceso se repetirá pues los electrones experimentarán una colisión inelástica adicional.

Posteriormente, junto a Edward Condon, estudió las exigencias energéticas de la vibración y rotación de las moléculas diatómicas, demostrando que tales energías también estaban cuantificadas y que las energías de disociación podrían extrapolarse a partir de las anteriores.

El principio de Franck–Condon es una regla en espectroscopia y química cuántica que explica la intensidad de las transiciones vibrónicas. Las transiciones vibrónicas son los cambios simultáneos en los niveles de energía electrónicos y vibracionales de una molécula debidos a la absorción o emisión de un fotón de la energía apropiada. El principio dicta que durante una transición electrónica, un cambio desde un nivel energético vibracional a otro será más probable que ocurra si las dos funciones de onda vibracionales se traslapan de manera significativa.

En un reporte publicado en 1926 por el Transactions de la Faraday Society, James Franck se interesó por los mecanismos de las reacciones químicas fotoinducidas.

franck3El presunto mecanismo era la excitación de una molécula por un fotón seguida de una colisión con otra molécula durante el corto periodo de excitación. La pregunta fue que si era posible para una molécula romperse en en fotoproductos en una sola etapa, la absorción de un fotón, y sin una colisión.

Con el fin de que una molécula se rompa debe adquirir energía vibracional del fotón que exceda la energía de disociación, esto es, la energía para romper un enlace químico. Sin embargo, como era conocido en ese tiempo, las moléculas únicamente absorberán la energía correspondiente a las transiciones cuánticas permitidas y no hay niveles vibracionales arriba del nivel de energía de disociación del pozo de potencial. La absorción del fotón de alta energía lleva a una transición hacia un estado electrónico más alto en vez de a la disociación. Al examinar cuánta energía vibracional puede adquirir una molécula cuando es excitada a un nivel electrónico más alto, y si esta energía vibracional puede ser suficiente para romper inmediatamente la molécula, él dibujó tres diagramas representando los posibles cambios en la energía enlazante entre el estado electrónico más bajo y los estados electrónicos más altos.

James Franck reconoció que los cambios en los niveles vibracionales pudieran ser consecuencia de la naturaleza instantánea de la excitación hacia niveles de energía electrónica más altos y una nueva posición de equilibrio para el potencial de interacción nuclear. Edward Condon extendió esta observación más allá de las fotorreacciones en un artículo en el Physical Review de 1926 titulado “A Theory of Intensity Distribution in Band Systems” (una teoría de la distribución de intensidad en sistemas de bandas).

franck5Aquí él realiza la formulación semi-clásica de una manera bastante similar a la forma moderna. La primer referencia conjunta tanto a Franck como a Condon en cuanto al nuevo principio apareció en la misma publicación de 1926 del Physical Review en un artículo sobre la estructura de bandas del monóxido de carbono por Raymond Birge.

Durante la invasión de Dinamarca por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, el químico húngaro George de Hevesy disolvió con agua regia el premio Nobel de oro de Max von Laue y James Franck para evitar que los nazis los robaran. Guardó la solución obtenida en un estante de su laboratorio en el instituto Niels Bohr y lo recuperó tras la guerra. Provocó la precipitación del oro y la Sociedad del premio Nobel pudo refundir el premio partiendo del oro original.

Anuncios

Publicado el 26 agosto, 2015 en Física. Añade a favoritos el enlace permanente. Deja un comentario.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

A %d blogueros les gusta esto: