Espectroscopia

Espectro óptico. Análisis espectral. Órbitas, orbitales, niveles energéticos atómicos. Bohr. Óptica. Física nuclear

  • Enviado por: Zekke Speu
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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¿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.

Espectroscopia
- 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.

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:

Espectroscopia

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

Espectroscopia

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

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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