Espectroscopia

¿QUÉ ES UN ESPECTRO?
Los espectros son una serie de colores −violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo, por orden− que se
producen al dividir una luz compuesta con una luz blanca en sus colores constituyentes. Por ejemplo, el arco
iris es un espectro natural producido por fenómenos meteorológicos.
Los aparatos empleados para analizar los espectros son: espectroscopios, espectrógrafos y espectrofotómetros,
según sean para observar visualmente el espectro, registrarlo fotográficamente o para medir la intensidad de
sus diferentes partes. En el siglo XIX, los científicos descubrieron que más allá de los extremos violeta y rojo
del espectro había unas radiaciones que se denominaron ultravioleta e infrarroja. La radiación ultravioleta,
aunque invisible al ojo humano, poseía una notable acción fotoquímica. Igualmente, la radiación infrarroja,
también invisible al ojo humano, transmitía energía, lo que quedaba demostrado al aplicarla a un termómetro.
Desde entonces se han abierto los límites del espectro, y se han ido añadiendo las ondas de radio, más allá del
infrarrojo, y los rayos X y rayos gamma más allá del ultravioleta.
LA ESPECTROSCOPIA
La ciencia que estudia los espectros en la física y la física química es la espectroscopia. Esta ciencia se basa
en que cada elemento químico tiene su espectro característico. Los científicos alemanes Gustav Kirchoff y
Robert Bunsen comprobaron esto en 1859 mediante la aplicación de un espectroscopio de prisma desarrollado
por ellos mismos al análisis químico. Los dos científicos alemanes mencionados anteriormente descubrieron
que cada elemento emite y absorbe distintos tipos de ondas de luz, y que por tanto cada elemento tiene un
espectro distinto.
Como se ha indicado antes, los aparatos empleados para estudiar los espectros son el espectroscopio, el
espectrógrafo y el espectrofotómetro.
− El primero está formado por una rendija por la que entra la luz procedente de una fuente externa, un
conjunto de lentes, un prisma y un ocular. La luz que se quiere analizar pasa por una lente colimadora, que la
convierte en un haz de luz estrecho y paralelo, y luego por el prisma. Una nueva lente enfoca las distintas
ondas de luz que salen del prisma sobre una pantalla, reflejándose en ésta las líneas espectrales, cada una de
un color diferente.
− En el segundo, la lente de enfoque es sustituida por una cámara fotográfica. Al llegar las luces a la película
se impresionan sobre la misma, y más tarde se puede calcular su longitud de onda según sus posiciones en la
película. Los espectrógrafos son útiles en casi todas las regiones del espectro, pero como el vidrio no
transmite las radiaciones ultravioleta e infrarroja, las lentes a usar deben de ser de otro material, como el
cuarzo.
− El tercer tipo se usa para medir la intensidad de un espectro determinado en comparación con la intensidad
de luz de una fuente patrón. De esta manera se puede determinar la concentración de la sustancia que ha
producido el espectro. Estos aparatos son muy útiles para estudiar las partes no visibles del espectro.
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También existe una variante del prisma, que se emplea para estudiar toda la zona del espectro más allá de la
zona ultravioleta. Consiste en una superficie especular de metal sobre la cual se han trazado varias líneas
paralelas con un diamante. De esta manera, la luz se dispersa de una forma más limpia y se consigue una
resolución del espectro mucho mayor.
ANÁLISIS ESPECTRAL
La luz se emite en fotones, y la energía de cada fotón es directamente proporcional a la frecuencia, e
inversamente proporcional a la longitud de onda. Esta energía se halla mediante la siguiente fórmula:
Donde h es el factor de proporcionalidad denominado constante de Planck, es la frecuencia, la longitud de
onda y c la velocidad de la luz en el vacío. Puesto que al moverse los electrones de un átomo de una órbita a
otra producen energía, midiendo la longitud de onda de los fotones emitidos mediante los espectros que
producen, es posible deducir gran información sobre la estructura y distintos modos de movimiento de los
componentes del átomo o molécula.
TRABAJOS DE NIELS BOHR
En 1913, el físico danés Niels Bohr revisó radicalmente los modelos atómicos existentes, y llegó a la
conclusión de que no eran válidos. Valiéndose de la teoría de Planck, Bohr ideó un nuevo modelo, con estas
características:
• El electrón sólo puede moverse sin emitir energía en determinadas órbitas permitidas llamadas
estacionarias.
• Sólo son posibles las órbitas en las que se cumple la ecuación
Donde m v es el momento lineal (masa · velocidad del electrón), r es el radio de la órbita y n es el número
cuántico. Este número indica los distintos subniveles de las órbitas del electrón.
De todas maneras, el modelo de Bohr no consiguió explicar satisfactoriamente los átomos con más de un
electrón. Pero en 1915, el físico alemán Sommerfield demostró que las órbitas que Bohr creía circulares
también podían ser elípticas, por lo que cada órbita resultaba ser varias, muy próximas y de energía diferente,
constituyendo subniveles de energía. De esta manera, a los niveles de energía de Bohr les correspondía el
número cuántico principal, n, mientras que a los subniveles de energía de Sommerfield se les asignó el
número cuántico secundario, l.
Más tarde, el holandés Zeeman descubrió que las órbitas de Sommerfield tienen orientaciones distintas en el
espacio. Esto provoca el llamado efecto Zeeman, por el cual las rayas espectrales sufren un desdoblamiento al
efectuar el análisis espectral del átomo bajo la influencia de un intenso campo magnético. Para expresar la
cuantización de esas orientaciones se introdujo el número cuántico magnético, ml, que representa la distinta
orientación de las órbitas en el espacio dentro de una misma energía. Y ya en 1922, Stern y Gerlach
descubrieron que el electrón en cada una de las orientaciones de las órbitas de Sommerfield podía tener un
sentido de giro o su opuesto. Para expresarlo apareció un nuevo número cuántico, el número cuántico de spin,
ms.
APLICACIONES DEL ANÁLISIS ESPECTRAL
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El análisis espectral centra sus aplicaciones en dos campos principalmente:
• Análisis químico: Puesto que el espectro de un elemento determinado es absolutamente característico
de ese elemento, el análisis espectral permite estudiar o identificar la composición y la estructura de
las moléculas.
• Aplicaciones astrofísicas: La distancia a la que puede situarse un espectroscopio de la fuente de luz es
ilimitada, lo que permite que el estudio espectroscopico de la luz de las estrellas permita un análisis
preciso de su estructura, especialmente en el caso del Sol. De hecho el helio fue descubierto antes en
el Sol que en la Tierra. Además permite medir con cierta precisión la velocidad relativa de cualquier
fuente de radiación.
Espectro de la luz solar
• La espectroscopia también es empleada en el campo de la física nuclear, para estudiar la influencia
del tamaño y la forma del núcleo de un átomo sobre su estructura atómica externa.
LOS ESPECTROS − Física y Química
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