Frans Michel Penning (12 de septiembre de 1894 - 6 de diciembre de 1953) fue un físico experimental holandés . [1] Recibió su doctorado en la Universidad de Leiden en 1923, [2] y estudió descargas de gas a baja presión en el Laboratorio Philips en Eindhoven, desarrollando nuevos tubos de electrones durante la Segunda Guerra Mundial. Con colegas se realizaron muchas observaciones detalladas de la ionización de gases y se encontraron resultados notables para el helio y los campos magnéticos. Realizó mediciones precisas de los coeficientes de descarga de Townsend y la caída de voltaje del cátodo. Penning hizo importantes contribuciones al avance de la espectrometría de masas de alta resolución .
Penning nació en el oeste de los Países Bajos, en la ciudad de Gorinchem, el 12 de septiembre de 1894. [1] [ se necesita mejor fuente ] Penning asistió a la Universidad de Leiden. Estudió matemáticas y física como estudiante de posgrado con Heike Kamerlingh Onnes . El trabajo doctoral de Penning implicó medir las propiedades termodinámicas de varios gases a temperaturas extremadamente bajas. Penning recibió su doctorado el 25 de junio de 1923 con una disertación titulada Metingen over isopyknen van gassen bij lage Temperaturen (Medidas sobre líneas isométricas de densidad de gases a bajas temperaturas). [2]
Su padre, Louwrens Penning , fue un novelista popular en la comunidad literaria holandesa; más conocido por romantizar la guerra anglo-bóer. [3] Su madre era Adriana Jenneke Machelina Heijmans. Penning se casó con Margje Dercksen en 1921 y tuvieron seis hijos llamados Lourens, Hendricus, Paul, Ad, Nellie y Else [4].
En 1924, Penning fue contratado como físico experimental en la sección holandesa del departamento de investigación de Philips ubicado en el distrito Strijp de Eindhoven. Gilles Holst, ex asistente de Heike Kamerlingh Onnes y director del Laboratorio Philips Natuurkundig (NatLab), encargó a Penning que continuara la investigación sobre los fenómenos de descarga de gas para desarrollar nuevas lámparas. [5] Penning investigó los potenciales de energía de ruptura de descargas de gas inerte a baja presión. En 1926, Penning observó que los electrones bajo corriente de voltaje continuo en descargas de mercurio a baja presión alcanzan altas velocidades debido a las oscilaciones de alta frecuencia en el gas. Estas observaciones desafiaron las observaciones de Irving Langmuir. [6] Penning también investigó el impacto que tienen la densidad del gas y la distancia de los electrodos sobre el voltaje y la estabilidad de las descargas de mezclas de gases nobles midiendo las curvas de Paschen. [5]
La ionización de Penning es una forma de quimioionización , un proceso de ionización que implica reacciones entre átomos o moléculas neutros. [7] El efecto Penning, como a menudo se le llama, describe una reacción en cadena de ionización causada por una colisión de alta energía entre átomos metaestables de gas inerte excitado (argón ig) e impurezas de gas traza cuyo potencial de ionización es menor que el potencial almacenado del meta- molécula estable. Estas colisiones provocan la liberación de electrones; que puede interactuar con otras moléculas estables de gases nobles para crear más metaestables, lo que resulta en reacciones más ionizantes. Penning informó por primera vez del efecto en 1927. [8] El efecto Penning se utiliza en lámparas de neón de descarga de gas y lámparas fluorescentes , donde la lámpara se llena con una mezcla de Penning para mejorar las características eléctricas.
Penning inventó un tipo de vacuómetro de cátodo frío conocido como manómetro de Penning , [9] que comercializó Philips.
Penning investigó el efecto de los campos magnéticos sobre las descargas de gas a baja presión. Determinó que la corriente de energía a través de un tubo de descarga en un campo magnético podría usarse para medir de manera confiable la presión. En su primer intento de medir la corriente de energía, Penning utilizó un sistema de medición de iones triodo con una trayectoria de vuelo lineal de los electrones. Este método funcionó, pero era frágil e ineficaz a presiones muy bajas. En su segundo intento, equipó su tubo de vacío con un cátodo en forma de anillo y dos placas anódicas arriba y abajo en un campo magnético. Los electrones ahora recorrieron una trayectoria de vuelo más larga fuera del anillo, entre electrodos en una órbita espiral. [10] El aumento de la trayectoria de vuelo de los electrones permitió más colisiones con átomos metaestables. Esto amplificó la señal electrónica, que fue suficiente para medir la presión del gas. El manómetro Penning (vacuómetro) surgió como una aplicación práctica. [5]
La trampa de Penning almacena partículas cargadas mediante campos magnéticos y eléctricos. Hans Georg Dehmelt le puso el nombre de Penning, quien construyó la primera trampa. Dehmelt se inspiró en el vacuómetro construido por Penning, donde una corriente a través de un tubo de descarga en un campo magnético es proporcional a la presión. [11] Las trampas Penning se utilizan actualmente para mediciones magnéticas y son un tema de investigación activo. La introducción de esta trampa ha dado lugar a nuevos enfoques en la espectrometría de masas de alta resolución con espectrómetros de masas como el ciclotrón de iones, el espectrómetro de resonancia o la trampa de iones.
Durante un breve período durante la Segunda Guerra Mundial, Penning trabajó en la fábrica de tubos Philips desarrollando tubos de electrones de alta frecuencia. Penning, junto con MJ Druyveseyn, escribió una reseña de su trabajo sobre las descargas de gas que se publicó en 1940 en la revista estadounidense Reviews of Modern Physics . [12] Debido a la ocupación alemana de los Países Bajos, Penning no vio el texto publicado hasta 1946. Después de la guerra se centró en los fenómenos de caída del cátodo durante las reacciones de descarga luminosa. Penning creó un tubo catódico con voltajes más estables eliminando la capa de óxido del cátodo; esto permitió una medición consistente de la caída del cátodo. [5] En la década de 1950, la salud de Penning comenzó a deteriorarse. Murió el 6 de diciembre de 1953 en Utrecht. [1]