Noticia Nº40: Celebrando la Newtondad con espectros.

Se acercan las fiestas del solsticio de invierno (aka Navidad) y con ellas el aniversario, precisamente el 25 de diciembre (según el calendario vigente en su momento), del nacimiento de uno de los personajes mas influyentes de la historia de la Humanidad, artífice de una revolución pacífica que nos ha llevado al mundo en el que vivimos hoy dia: Isaac Newton.

Entre las muchísimas y cruciales contribuciones que realizó y que supusieron el nacimiento de la Ciencia moderna y la puerta de entrada a una revolución social y cultural sin precedentes, está una que es posiblemente la menos conocida por el gran público, pero cuyas consecuencias nos han llevado al desarrollo de la Química, la Física, la Medicina…: es el primer experimento científico de espectroscopía de la Historia: Newton descubrió, en 1665, con ayuda de unos prismas, que la luz está compuesta por la suma de componentes de diferente longitud de onda (y por tanto diferente energía) y diferente comportamiento óptico. El vió que la luz solar podía descomponerse en componentes de diferentes colores, que formaban un “espectro”:

Aunque este efecto ya se observó antes de Newton, los científicos lo interpretaron como colores que surgían del propio material del prisma. Newton realizó numerosos experimentos, llegando a la conclusión de que la luz blanca no era sino la suma de un conjunto de rayos luminosos de diferentes colores, proponiendo las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz y creando el campo de la Óptica. Newton hizo el primer análisis de la composición energética de la luz: cada color se corresponde con una energía, longitud de onda y frecuencia concretas. Esta observación crucial llevó mas tarde a descubrimientos fascinantes, como nuevos elementos químicos o la composición del Sol y otros objetos astronómicos.

Esquema dibujado por el propio Newton de sus experimentos con luz y prismas.
El espectroscopio mas simple: un prisma descomponiendo un haz de luz blanca en sus componentes.
Aplicación directa del experimento de Newton con prismas: espectroscopio de Bunsen-Kirchhoff. Con éste instrumento se descubrieron los elementos cesio, rubidio, talio, galio e indio.

Además de que el principio de su espectroscopio de prisma sigue vigente actualmente como instrumento de análisis, sus estudios sobre la luz fueron el germen de la espectroscopía moderna. La espectroscopía (o espectrometría) está detras de prácticamente TODOS los descubrimientos de la Química desde hace un siglo: el modo en el que las sustancias y elementos químicos absorben y modifican la composición de la luz con que se los ilumina es fundamental en el estudio de las propiedades de la materia.

La mente privilegiada de Newton tuvo en el físico Robert Hooke a su máximo rival. La vida de Newton no se puede contar sin hablar de Hooke, quien fué probablemente uno de los científicos mas destacados de la Historia. En su tiempo, Hooke y Newton estaban a la par, ambos tenían egos enormes y no se distinguían por ser personas amables, lo cual garantizaba el choque.

Actualmente se recuerda a Hooke por su ley de los muelles, pero era un científico de mente inquieta e infinitos intereses. Cultivó todas las ramas del saber de la época y a él se atribuyen descubrimientos interesantes: por ejemplo, Hooke descubrió que lo que ahora reconocemos como madera fosilizada era en efecto madera fosilizada, lo cual en su época era un descubrimiento atrevido y revolucionario. Tuvo una agria polémica con Newton por el descubrimiento de la Ley de Gravitación Universal, que probablemente desarrollaron ambos al mismo tiempo. La famosa frase de Newton “si he visto mas lejos, es porque me he subido a hombros de gigantes” no fue, como mucha gente piensa, una muestra de humildad y agradecimiento. Al contrario, en su contexto es un comentario sarcástico e hiriente que Newton le dedicó a Hooke en una carta. Tal fue su enemistad, que Newton trató de minimizar los méritos de Hooke y borrarlo de la Historia, hasta tal punto que se las arregló para hacer quemar sus retratos (un supuesto retrato que habitualmente se atribuye a Hooke en realidad representa a Johannes van Helmont) y ni siquiera se conoce la localización de su tumba.

Hooke, como no podía ser de otra forma, fue uno de los pioneros de la microscopía. Escribió un libro muy bello titulado Micrographia, en el que representó en detallados y precisos grabados sus observaciones de todo tipo de objetos con microscopio y lupas de aumento.

Así que para celebrar esta Newtondad como se merece y conciliar a éstos enemigos, he convertido un pequeño microscopio ENOSA que habría hecho las delicias de Hooke y me regaló mi amigo Ricardo, naturalista y profesor de Ciencias Naturales, en un espectrómetro de fluorescencia que habría encantado a Newton:

La fluorescencia es la emisión de luz de un material cuando es excitado por luz de diferente longitud de onda. Los electrones del material absorben fotones, lo que les provoca un cambio en las vibraciones y energías de los enlaces. Casi instantáneamente, ese estado excitado vuelve a relajarse, emitiendo luz de menor energía. Un ejemplo espectacular de fluorescencia lo tienen los minerales de uranilo (UO2 2+) cuando son iluminados por luz ultravioleta. Los enlaces uranio-oxígeno son excitados por la luz ultravioleta, relajándose al emitir luz en el rango amarillo-verde:

Autunita (fosfato de uranilo y calcio) de la mina Daybreak, iluminada con luz UV a 395 nm, emitiendo intensa fluorescencia amarilla en el rango 500-600 nm

El primer registro documental de la observación de fluorescencia lo hicieron dos españoles: en 1560, Bernardino de Sahagun, monje y misionero franciscano en América, en su libro “Historia General de las cosas de Nueva España”, observó la luz azul de la infusión de la madera del árbol “palo dulce” ( Eysenhardtia polystachya), llamada por sus propiedades diuréticas Lignum nephriticum coatli. El influyente botánico sevillano Nicolás Monardes, quien estudió en profundidad la flora mesoamericana e introdujo numerosas plantas medicinales americanas en Europa, describió en 1565 la misteriosa y mágica luminosidad azul que adquiría el agua en un vaso hecho con madera de palo dulce. No fue hasta mucho tiempo después, en 1852, que el físico inglés George Stokes, realizando cuidadosos experimentos, concluyó que la fluorescencia era la emisión de luz de un material en respuesta a la luz incidente de longitud de onda distinta. Posteriormente, Becquerel, estudiando la fluorescencia de sales y minerales de uranilo, llegó al descubrimiento de la radiactividad del uranio, aunque ambos fenómenos no están relacionados.

La fluorescencia, como he dicho, depende de los “saltos” de niveles energéticos en las vibraciones de los enlaces entre átomos del material, en respuesta a la luz incidente. Si analizamos esa luz emitida, tal vez podamos obtener información sobre las características del material. Descomponer (como hizo Newton) la luz fluorescente en sus componentes energéticos es la espectroscopía de fluorescencia. Para recoger la luz con precisión, modificamos el microscopio. Aquí otra versión del invento:

En la imagen se ve la luz emitida por fluorescencia de una sal de uranilo (acetato de uranilo). El microscopio modificado descompone esa luz amarilla en sus componentes:

Cada uno de esos picos corresponde con un salto de energía en los enlaces entre átomos de uranio y oxígeno. Este patrón de fluorescencia es específico de materiales que contienen uranilo, y pequeñas variaciones en su intensidad y longitud de onda nos da información sobre la composición.

Otro ejemplo de fluorescencia lo da el aragonito de Pantoja (Toledo), en ésta foto iluminado con luz ultravioleta:

El análisis de la luz fluorescente de éste aragonito con el invento que os he mostrado antes nos da éste resultado, comparado con la fluorescencia del aragonito de Sicilia, asociado a azufre.

El análisis del espectro nos dice que el aragonito de Pantoja tiene máximos de fluorescencia de 490, 517 como componente principal, 560 y 617 nm, resultando en un color amarillo blancuzco; el aragonito de Sicilia tiene máximos de fluorescencia de 480, 610 y 640 nm, lo que le da un tono mas rosado. La causa de la fluorescencia de los dos aragonitos es distinta. En el aragonito de Pantoja, es posible que pequeñas cantidades de uranilo generen la fluorescencia. En el aragonito de Sicilia no se conoce el activador, pero probablemente sean pequeñas cantidades de tierras raras.

Ya veis que desde el asombro de Newton por la luz hemos llegado a muchas sutilezas en nuestras observaciones de la Naturaleza. Con ello deseo un feliz aniversario de Newton y un año nuevo con mucha Ciencia y descubrimientos interesantes.

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