La constante de Rydberg, llamada así por el físico Johannes Rydberg, es una constante física que aparece en la fórmula de Rydberg. Fue descubierta cuando se midió el espectro del hidrógeno, y construida sobre resultados de mediciones cuánticas de Anders Jonas Ångström y Johann Jakob Balmer.
Es una de las mejor determinadas, con una incertidumbre experimental relativa de menos de 7 partes por trillón. La capacidad de medirla directamente a una tan alta precisión confirma las proporciones de los valores de las otras constantes físicas que la definen, y puede ser utilizado para probar rigurosas teorías físicas como la electrodinámica cuántica.
Descripción
Constante de Rydberg
La constante de Rydberg del "infinito" es (de acuerdo a los resultados del CODATA en el 2010):
| Símbolo | Nombre | Valor | Unidad | Fórmula |
|---|---|---|---|---|
| Constante de Rydberg | 1.0973731568539(55)E7 | m-1 | ||
| Masa en reposo del electrón | 9.10938291(40)E-31 | kg | ||
| Carga elemental | 1.602176487(40)E-19 | C | ||
| Permitividad | 8.8541878176E-12 | C2 / (N m2) | ||
| Constante de Planck reducida | 1.054571817E-34 | J s | ||
| Velocidad de la luz en el vacío | 299792458 | m / s |
Cada uno de los elementos químicos tiene su propia constante de Rydberg. Para todos los átomos similares al Hidrógeno (átomos con un solo electrón en su última órbita) la constante de Rydberg puede ser derivada de la constante de Rydberg del "infinito", de esta forma:
| Símbolo | Nombre | Unidad |
|---|---|---|
| Constante de Rydberg para cierto átomo con un electrón con la masa en reposo | ||
| Constante de Rydberg | m-1 | |
| Masa de su núcleo atómico | kg | |
| Masa en reposo del electrón | kg |
Unidad de energía Rydberg
Esta constante se utiliza a menudo en la física atómica en forma de energía:
| Símbolo | Nombre | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Unidad de energía Rydberg | 13.6056923(12) | eV | |
| Constante de Planck | 4.135667696E-15 | eV s | |
| Velocidad de la luz en el vacío | 299792458 | m / s | |
| Constante de Rydberg | 1.0973731568539(55)E7 | m-1 |
Frecuencia Rydberg
| Símbolo | Nombre | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Frecuencia Rydberg | 3.2898419602508(64)E15 | Hz | |
| Velocidad de la luz en el vacío | 299792458 | m / s | |
| Constante de Rydberg | 1.0973731568539(55)E7 | m-1 |
Longitud de onda Rydberg
| Símbolo | Nombre | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Longitud de onda Rydberg | 9.112670505824(17)E-8 | m | |
| Longitud de onda angular Rydberg | 1.4503265557696(28)E-8 | m | |
| Constante de Rydberg | 1.0973731568539(55)E7 | m-1 |
Expresiones alternas
La constante de Rydberg también puede ser expresada con las siguientes ecuaciones.
y
| Símbolo | Nombre |
|---|---|
| Constante de Planck | |
| Constante de Planck reducida | |
| Velocidad de la luz en el vacío | |
| Constante de estructura fina | |
| Longitud de onda de Compton de un electrón | |
| Frecuencia de Compton de un electrón | |
| Frecuencia angular de Compton de un electrón |
La constante de Rydberg para el hidrógeno
Usando el valor obtenido por CODATA en el 2002 para el cociente entre la masa de un electrón con la masa de un protón de , en la fórmula general para la constante de Rydberg para cualquier elemento similar al hidrógeno , encontramos que la constante para el hidrógeno, .
Usando en la fórmula de Rydberg para los átomos similares a hidrógeno, podemos obtener que el espectro de emisión del hidrógeno,
| Símbolo | Nombre | Valor | Unidad | Fórmula |
|---|---|---|---|---|
| Longitud de onda de la luz emitida en el vacío | m-1 | |||
| Constante de Rydberg para el hidrógeno | 10967758.341 | m-1 | ||
| Entero | ||||
| Entero | ||||
| Número atómico, que es 1 para el hidrógeno |
Derivación de la constante de Rydberg
La constante de Rydberg para el hidrógeno puede ser derivada usando la condición de Bohr, la fuerza centrípeta, el campo eléctrico, y la energía total de un electrón en órbita alrededor de un protón (correspondiente al caso de un átomo de hidrógeno).
- Condición de Bohr, el momento angular de un electrón puede tener solo ciertos valores discretos:
- Donde n = 1,2,3,… (algún entero) y es llamado el número cuántico principal, es la constante de Planck, y la constante de Planck racionalizada y es el radio de órbita de un electrón.
- Fuerza necesaria para mantener el movimiento circular (a.k.a. fuerza centrípeta),
| Símbolo | Nombre |
|---|---|
| Masa en reposo del electrón | |
| Velocidad del electrón |
- Fuerza eléctrica de atracción entre un electrón y un protón:
| Símbolo | Nombre |
|---|---|
| Carga elemental | |
| Permitividad |
La expresión para la energía total (suma de la cinética y la potencial eléctrica) de un electrón a una distancia de un protón es
La expresión anterior puede derivarse a partir de un tratamiento mecanocuántico riguroso del átomo de hidrógeno, pero Bohr la dedujo a partir de la cuantización del momento angular y de las expresiones clásicas de las energías cinética y potencial eléctrica. Para comenzar, tomamos la condición primaria de Bohr y la solucionamos en términos de la velocidad orbital permitida del electrón:
Ya que el campo eléctrico que atrae el electrón al núcleo es la fuerza centrípeta que lleva al electrón una órbita circular alrededor del protón, podemos fijar: para obtener
Sustituyendo la expresión previa para la velocidad de la órbita del electrón in y resolviendo para se obtiene:
Este valor de supuestamente representa los únicos valores permitidos para el radio orbital de un electrón que orbita alrededor de un protón asumiendo que la condición de Bohr sostiene la naturaleza de la onda de un electrón. Si ahora se sustituye en la expresión para la energía total de un electrón una cierta distancia de un protón, se tiene:
Para eso el cambio de energía en un electrón sustituyendo de un valor de a otro es
Simplemente cambiamos las unidades a longitud de onda y obtenemos:
| Símbolo | Nombre |
|---|---|
| Constante de Planck | |
| Masa en reposo de un electrón | |
| Carga elemental | |
| Velocidad de la luz en el vacío | |
| Permitividad | |
| Número de electrones en la última capa del átomo de hidrógeno | |
Por lo tanto hemos encontrado que la constante de Rydberg para el hidrógeno es:

La aurora de Júpiter, alimentada por corrientes jovianas de Birkeland.[1] 
Corrientes de Birkeland generada por científicos en un laboratorio. Una corriente de Birkeland es una corriente eléctrica en un espacio de plasma, más específicamente a partículas cargadas que se desplazan a lo largo de las líneas de campo magnético (por ello, las corrientes de Birkeland también son llamadas corrientes alineadas con el campo). Las mismas son causadas por el movimiento de plasma en forma perpendicular a un campo magnético. A menudo las corrientes de Birkeland poseen una estructura magnética en filamentos o similar a una "soga retorcida".
Originalmente las corrientes de Birkeland se referían a corrientes eléctricas que contribuyen a formar la aurora, causadas por la interacción del plasma en el viento solar con la magnetósfera de la Tierra. La corriente circula en dirección este por el lado naciente de la ionosfera terrestre, alrededor de las regiones polares, y hacia el espacio por el lado poniente de la ionosfera. Estas corrientes de Birkeland en épocas modernas son llamadas electrojets de la aurora. Las corrientes fueron predichas en 1903 por el explorador y físico noruego Kristian Birkeland, quien realizó expediciones al círculo ártico para estudiar la aurora.
Carl-Gunne Fälthammar profesor emérito del Laboratorio Alfvén en Suecia, escribió en (1986): «Una razón por la cual las corrientes de Birkeland son especialmente interesantes es que, en el plasma que las transporta, ellas producen varios procesos físicos como ondas, inestabilidades y formación de estructura fina. Estos a su vez producen la aceleración de partículas cargadas, tanto positivas como negativas, y la separación de elementos (tal como la eyección preferencial de iones de oxígeno). Ambas clases de fenómenos poseen una importancia astrofísica que va más allá de la comprensión del espacio inmediato que rodea al planeta Tierra».
Características

Complejas líneas de campo magnético entrelazadas y corrientes eléctricas de una corriente de Birkeland que se desarrolla en un plasma. Las corrientes de Birkeland de una aurora pueden alcanzar valores de 1 millón de Amperes.[2] Pueden calentar la alta atmósfera lo que produce un incremento en la fuerza de rozamiento que actúa sobre los satélites artificiales ubicados en órbitas de baja altitud.
También es posible generar corrientes de Birkeland en el laboratorio mediante generadores de potencia pulsante de muchos teravatios. La sección transversal del patrón así obtenido muestra un haz hueco de electrones, tipo un círculo con vórtices, lo que se denomina la inestabilidad diocotrón[3] (que posee algunas similitudes con la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz), y que puede degenerar en un patrón de tipo filamentos. Esto puede ser observado en la aurora y se los llama "bucles de aurora".[4]
Las corrientes de Birkeland son también uno de los tipos de fenómenos de plasma llamados z-pinch, porque los campos magnéticos azimutales producidos por la corriente comprimen la corriente en una estructura tipo un filamento. Esta también se puede retorcer, produciendo un pinch helicoidal en espirales similares a una soga retorcida, lo que por lo general se identifica como una típica corriente de Birkeland. Pares de corrientes de Birkeland paralelas pueden interactuar; corrientes de Birkeland paralelas que se mueven en la misma dirección se atraen con una fuerza electromagnética inversamente proporcional a la distancia que las separa (Notar que en forma similar a la fuerza de gravedad); la fuerza electromagnética entre partículas individuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa; corrientes de Birkeland paralelas pero que se mueven en direcciones opuestas se repelen con una fuerza inversamente proporcional a la distancia que las separa. Existe también una componente circular de corto alcance de la fuerza entre dos corrientes de Birkeland que es opuesta a las fuerzas paralelas de mayor alcance.[5]
Los electrones que se desplazan por una corriente de Birkeland pueden ser acelerados mediante un plasma de doble capa. Si los electrones alcanzan velocidades relativistas (próximas a la velocidad de la luz) pueden entonces producir un Bennett pinch, que es un campo magnético en espiral que emite radiación de sincrotrón que incluye longitudes de onda de radio, ópticas (es decir luz), rayos X, y rayos gamma.
Corrientes de Birkeland cósmicas
Los físicos especializados en plasma creen que muchas de las estructuras que en el universo presentan filamentos deben su origen a corrientes de Birkeland. Peratt (1992) destaca que «sin importar la escala, el movimiento de partículas cargadas producen campo magnéticos propios que pueden actuar sobre otras aglomeraciones de partículas cargadas. Plasma en movimientos relativos se acoplan mediante corrientes que interaccionan entre sí». (Ver Plasma scaling). Algunos ejemplos son:
Dimensión Corriente Descripción 20 × 10³ m Venus Flux ropes Colas de cometas 10²–105 m 106 A Aurora terrestre 108 m 105–106 A Eventos de la magnetosfera tipo V invertida 107–108 m 1011 A Prominencias solares (spicules, coronal streamers) Estructuras interestelares: nebulosas varias 1018 m Centro galáctico 6 × 1020 m Galaxias de doble radio: lóbulos brillantes Fuente: Peratt (1992).
Historia
La historia de las corrientes de Birekland parecería estar entremezclada con la política.[6]
Luego que Kristian Birkeland sugirió la existencia de «corrientes que deben su existencia principalmente a un efecto secundario de los corpúsculos eléctricos del Sol emitidos al espacio», (1908), pero sus ideas fueron ignoradas en favor de una teoría alternativa del matemático británico Sydney Chapman.
En 1939, el ingeniero y físico del plasma sueco Hannes Alfvén promovió las ideas de Birkeland en un trabajo publicado sobre la generación de corriente a partir del viento solar. Uno de los colegas de Alfvén, Rolf Boström, también utilizó las corrientes alineadas con el campo en un nuevo modelo de electrojets de aurora (1964).
En 1966, utilizando un magnetómetro satelital, Alfred Zmuda, J.H. Martin, y F. T. Heuring informan sus avances sobre la perturbación magnética en la aurora, aunque omiten mencionar a Alfvén, Birkeland, o las corrientes alineadas con el campo, aún después de haberles sido mencionado por el editor de la sección de física del espacio de la revista, Alex Dressler.