(24 de marzo de 1884-2 de noviembre de 1966)
Fe y obras
El pueblo de Maastricht, del que Debye era orgullosamente originarío, se destaca por ser uno de los pueblos en Países Bajos que permaneció católico a lo largo de toda su historia. Como muchas familias, la familia de Petrus Debye era católica practicante, y esa fe lo acompañó a lo largo de su vida, con altibajos pero siempre de manera seria, cómo lo menciona su hija Mathilde Marie “Mia” (Ginkel, 2006):
Él continuó siendo católico. Fue muy peculiar, pues normalmente los grandes científicos abandonaban todo. Hubo un período en el que él también lo hizo. Pero después regresó.
Es por la misma razón que, a Debye, aún cuando podía obtener muy buenos puestos, no le agradó el rumbo que tomaba Alemania, como lo escribe uno de sus biografos:
Debye quién, como devoto católico romano y honesto holandés, no tenía nada que hacer en el nacional socialismo por lo que dejó su puesto en Alemania (Davies, 1970).
Al final de su vida nos recuerdan sus seres queridos que asistía a misa todos los domingos (Ginkel, 2006) y queda en memoria de su nieto Nordulf:
Igualmente impresionante fue la notable compasión y generosidad que mostró a todo aquel con el que trabajaba. Se dedicó a su familia y su religión (Debye, 2006).
Vida académica
Nació el 24 de marzo de 1884 en Maastricht, Holanda. Hijo de William Debye, encargado de un taller de maquinaría, y Maria Reumkens, en el momento de ingresar a la Universidad Tecnológica de Aquisgrán en Renania, las finanzas familiares estaban tensas sin embargo, su padre buscó darle la mejor educación posible. Se centró en estudiar matemáticas y física, ahí pudo recibir clases de dos grandes físicos Max Wien y Arnold Sommerfeld. Para 1905, obtuvo su título en ingeniería eléctrica y un puesto como asistente en el laboratorio de Sommerfeld, donde completó un estudio sobre la difracción de la luz por objetos cilíndricos y esféricos.
En 1906, Sommerfeld aceptó una cátedra en la Universidad Ludwig-Maximilian de Munich, a donde lo acompaño Debye y publicaría su primer artículo, un análisis teórico de las corrientes de Foucault en un conductor rectangular, en 1907 para Zeitschrift für Mathematik und Physik Vol. 54. Para 1908, recibía su doctorado en física, por sus tesis sobre los efectos de la presión de la radiación en esferas de propiedades eléctricas arbitrarias Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material. Continuó en la universidad como profesor (privatdozent).
En 1910 se graduó como profesor universitario y para 1911 mientras estudiaba el doctorado en química en la Universidad de Munich, sustituyó a Albert Einstein como profesor de física teórica en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, aquí desarrolló sus teorías sobre las moléculas polares y el calor específico en sólidos. En 1912 se convirtió en profesor de física teórica en Utrecht. En 1913 contrajo matrimonio con Mathilde Alberer, tuvo dos hijos Peter Paul Ruprecht (1916) y Mathilde Marie Gabriele (1921).
En 1914 aceptó la cátedra en física teórica y experimental en la Universidad de Gottingen, probó su teoría de dipolos permanentes,en 1915 se convierte en editor de la revista Physikalische Zeitschrift actividad que desempeño hasta dejar Alemania en 1940. En 1916, junto a Paul Scherrer, publicó el método de difracción de rayos X en polvo, ahora conocido como método de Debye-Scherrer para identificar sustancias cristalinas: “X-Ray interference produced by irregularly oriented particles. III. Constitution of graphite and amorphous carbon” de Physikalische Zeitschrift Vol. 18.
En 1920 regresó a Zurich como profesor de física y director de la Escuela Poltécnica Federal de Zurich, donde desarrolló teorías sobre el enfriamiento magnético y la atracción inter iónica de electrolitos. Publicó en 1923 dos tratados fundamentales sobre soluciones electrolíticas junto con su ayudante Erich Huckel, uno de los artículos es Zur Theorie der Elektrolyte. I. Gefrierpunktserniedrigung und verwandte Erscheinungen (Sobre la teoría de electrolitos. I. Depresión del punto de congelación y fenómenos relacionados), Physikalische Zeitschrift, Vol. 24, No. 9.
En 1927 se convirtió en director del Instituto de Física de la Universidad de Leipzig, se dedicó principalmente a la medición de distancia inter atómicas en moléculas por dispersión de rayos X y a la descripción de dipolos electrolitos. Publicó varios libros “Quantum Theory and Chemistry” (1928), “Polar Molecules” (1929), “The Dipole Moment and Chemical Structure” (1931), “The Structure of Molecules” (1932), “Magnetism” (1933), “The Structure of Matter” (1934), y “Nuclear Physics” en 1935 (Batistić, 2003).
En 1935 obtuvo un puesto como catedrático en la Universidad de Berlín y se convirtió en directo del Instituto de Física Kaiser Wilhelm de Berlín-Dahlem, hoy Instituto Max Planck. Recibió el premio nobel en 1936 por “sus contribuciones a nuestro conocimiento de la estructura molecular a través de sus investigaciones sobre momentos dipolares y sobre la difracción de rayos X y electrones en gases” dando su conferencia de premiación “Métodos para determinar la estructura eléctrica y geométrica de las moléculas” el 12 de diciembre.
Sin embargo, es en este periodo, también, que el partido nazi toma control de Alemania, surge una controversia pues, en 1938, Debye es nombrado presidente de la Sociedad Alemana de Física (GDP) y por la ley impuesta en 1933 por el partido Nazi, envió a todos los miembros un escrito que contenía lo siguiente (Rispens, 2006):
A la luz de la situación actual, la pertenencia de judíos alemanes a la Deutsche Physikalische Gesellschaft, según lo estipulado por las leyes de Nuremberg, no puede continuar. De acuerdo con los deseos de la junta, pido a todos los miembros a los que se aplican estas definiciones que me informen de su renuncia. ¡Heil Hitler!
Nos obstante es conocido también que él y sus colegas ayudaron a la física judía, miembra también del instituto, Lise Meitner a escapar, con riesgo para ellos y sus familias, a esto hay que agregar su íntima amistad que mantenía con Paul Rosbaund, científico anti-nazi y espía encubierto para el gobierno de Gran Bretaña, es por esto que algunos no han descartado la idea de que Debye fuera también firmemente anti-nazi. Hablamos sin embargo de un período convulso de la historia, dónde se tienen casos como el de John Rabe en Nanking, y la situación de muchas personas era realmente complicada así Debye será acusado por Einstein de mantener lazos con líderes nazis tras su huida a Estados Unidos, Debye se defendería de esas acusaciones en una carta envía da a Einstein (Ball, 2010).
En 1938, por la insistencia del gobierno alemán para que renunciara a su ciudadanía holandesa y convertirse en alemán, Debye se muda a Italia y, posteriormente, a Estados Unidos en 1940, donde se le ofreció el puesto de jefe del Departamento de Química en la Universidad de Cornell, donde permaneció hasta su retiro como profesor emérito en 1952. Dado su gran empeño en su profesión Debye obtuvo una gran cantidad de distinciones, entre las que se encuentran doctorados honoris causa por las universidades: Bruselas y Lieja; Oxford; Sofía; Maguncia; Technische Hochschule, Aquisgrán; Eidgenösissche Technische Hochschule, Suiza; Harvard; San Lorenzo; Colgate; Notre Dame; Santa Cruz; Politécnico de Brooklyn; Boston College; Providence College.
Además las medallas: Rumford de la Real Sociedad de Londres, Frankil, Faraday, Lorentz de la Real Academía Neerlandesa, Max Planck de la West Germany Physical Society, Willard Gibbs de Chicago, Nichols y Priestley de la Sociedad Americana de Química.
Fue un hombre dedicado su familia y su profesión, falleció el 2 de noviembre de 1966.
Correcciones al cálculo del calor específico y otros aportes
Petrus J. W. Debye hizo múltiples contribuciones a la física y a la química que han ayudado a comprender el comportamiento de la materia. Tan importantes fueron sus contribuciones que muchos métodos, leyes y ecuaciones llevan su nombre. Dentro de sus aportaciones más destacadas se encuentran: correcciones a la teoría de Einstein sobre el calor específico, considerar las vibraciones térmicas en la difracción de rayos X, el método de polvo en la difracción de rayos X, la idea y explicación del que las moléculas tengan un dipolo eléctrico (también llamado momento dipolar) permanente y que, a partir de medir este momento dipolar, podemos saber más sobre la estructura de la molécula y su comportamiento ante cambios en la temperatura.
Hablemos de la primera contribución mencionada. El calor específico se define como el aumento (o disminución) de energía debido a un aumento (o disminución) de temperatura, dividido entre ese cambio de temperatura y entre la cantidad de materia (o de masa) del objeto (por ejemplo, un bloque de hielo, un trozo de hierro, etc). Resulta que el calor específico, debido a que se divide entre la cantidad de materia, no depende de la cantidad de material usado, pero sí depende de dos cosas: el material del que se esté hablando (es decir, es distinto si se habla del hielo, cobre, hierro, plata, etc) y de la temperatura (a menor temperatura, menor es la energía que puede “almacenar” un objeto). Cuando Einstein trató de ver cómo era el comportamiento de la capacidad calorífica con la temperatura, considero que los átomos se podían ver como bolitas unidas a resortes que les permitían oscilar en todas direcciones, como se ve en la figura.
Imagen recuperada de (Tomé, 2020)
Einstein consideró que la frecuencia con la oscilaban las bolitas no tenía límite, es decir, que alguna bolita podía oscilar tan rápido como quisiera, aunque oscilaciones muy rápidas eran muy poco probables que se den mientras que oscilaciones lentas eran más probables (a todo esta teoría se le conoce como “modelo de Einstein”). Debye explicó que las frecuencias con las que puede oscilar cada bolita tienen un valor máximo, al cual se le conoce como frecuencia de Debye, y esto hace que los cálculos de Einstein tengan ciertas correcciones que hagan que el modelo se acerque aún mejor a lo observado en los experimentos.
Y, ¿qué onda con los rayos X? Bueno, sucede que cuando a la luz se le pone un obstáculo se generan patrones muy curiosos, como los que se ven en la figura, y cada patrón depende de la forma del obstáculo que se lo ponga. A este fenómeno se le llama difracción. Para que se presente la difracción, es necesario que la longitud de onda de la luz tenga un tamaño parecido al tamaño del objeto. Como se conocía el fenómeno de la difracción, este se trató de usar para encontrar cómo era la estructura de la materia, y como se sabía más o menos cuál era el tamaño de los átomos y moléculas y la separación entre estos dentro de los materiales, se vio que lo más conveniente era usar rayos X para esta técnica. Antes de Debye, al usar esta técnica se consideraba que los átomos tenían posiciones fijas, es decir, que no se movían, esto para simplificar los cálculos. Pero en ese entonces se sabía que los átomos no estaban fijos, se movían, “vibraban”, debido a la temperatura (a mayor temperatura más rápido oscilan los átomos y a menor temperatura más lento oscilan), por lo que Debye decidió calcular la “corrección” que se tendría si se considera el movimiento de oscilación de los átomos en la difracción de rayos X (lo cual es lo que sucede en la realidad), a esto se le llama “factor de Debye-Waller” (Waller trabajó en esto mismo después que Debye).
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| imagen obtenida de (Cuánticos, 2016) | imagen obtenida de (Kittel, 1996) |
Por último hablemos de la última contribución, el momento dipolar de las moléculas, trabajos que le valieron el Premio Nobel. Debye se imaginaba que las moléculas debían tener un momento dipolar permanente, debido a que no son simples bolitas, sino que tienen estructura, y a que sus electrones no están uniformemente distribuidos (es decir, que algunos núcleos que componen las moléculas “jalan” más electrones que otros y esto hace que se concentre más la carga negativa en unas zonas y la positiva en otras). Debye vio que si se medía este momento dipolar, se podría conjeturar el acomodo de los átomos en una molécula (estructura molecular) y en esto se centró la mayor parte de sus investigaciones.
Por sus contribuciones al entendimiento de la estructura de la materia mediante la difracción de rayos X y, principalmente, el momento dipolar de las moléculas fue que le fue otorgado el Premio Nobel. Aún así, Debye trabajó en más temas que aquí no mencionamos.
Fuentes:
Ball, P. 2010. Letters defend Nobel laureate against Nazi charges [online] Nature international weekly journal of science. Disponible en https://www.nature.com/news/2010/101209/full/news.2010.656.html [Obtenido 21 de marzo del 2021].
Batistić, I. 2003. Peter Debye. [online] Sitio Personal de Ivo Batistć. Disponible en: http://grdelin.phy.hr/~ivo/Nastava/StatistickaFizika/Dopunska_literatura/Osobe/debye.html#:~:text=Peter%20Josephus%20Wilhelmus%20Debye%20was,the%20distances%20between%20the%20atoms.[Obtenido 21 de Marzo del 2021]
Castellano, G., 2020. Modelo de Debye. [online] FAMAF. Disponilbe en: https://www.famaf.unc.edu.ar/~gcas/termo2/clases/node41.html [Obtenido 20 de Marzo del 2021].
Cuánticos, C., 2016. La foto 51 – Del patrón de difracción a la estructura del ADN. [online] Cuentos Cuánticos. Disponible en: https://cuentos-cuanticos.com/2016/10/26/la-foto-51-del-patron-de-difraccion-a-la-estructura-del-adn [Obtenido 20 de Marzo del 2021].
Davies, M. (1970). Peter Joseph Wilhelm Debye. 1884-1966. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, 16, 175-232. Obtenido de Marzo de 2021 de https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsbm.1970.0007
En.wikipedia.org. n.d. Debye–Waller factor - Wikipedia. [online] Disponible en: https://en.wikipedia.org/wiki/Debye%E2%80%93Waller_factor [Obtenido 20 de Marzo del 2021].
Ginkel, G. 2006. Prof. Peter J.W. Debye (1884 - 1966) [online] Disponible en: http://www.esrf.eu/files/live/sites/www/files/UsersAndScience/Experiments/CRG/BM26/SaxsWaxs/Debye/Debye1935-1945.pdf [Obtenido 23 de marzo de 2021].
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Rispens, S. I. 2006. Einstein in Nederland. Een intellectuele biografie. 1a ed. Amsterdan: Ambo/Anthos.
Scientist, F. 2020. Peter Debye. [online] Famous Scientist The Art of Genious. Disponible en: https://www.famousscientists.org/peter-debye/
The Nobel Prize in Chemistry 1936. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2021. Sat. 20 Mar 2021. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1936/summary
Tomé, C., 2020. Sólidos cuánticos. [online] Cuaderno de Cultura Científica. Disponible en: https://culturacientifica.com/2020/03/24/solidos-cuanticos/ [Obtenido 20 de Marzo del 2021].
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Infografía
