Espectroscopia

La espectroscopía es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con aplicaciones en química, física y astronomía, entre otras disciplinas científicas.

Espectro de luz de una flama de alcohol.

Archivo:Spectre-sRGB.svg

Luz como parte del espectro electromagnético.

El análisis espectral en el cual se basa, permite detectar la absorción o emisión de radiación electromagnética a ciertas longitudes de onda, y relacionar éstas con los niveles de energía implicados en una transición cuántica.

Existen tres casos de interacción con la materia:

1. choque elástico: Existe sólo un cambio en el impulso de los fotones. Ejemplos son los rayos X, la difracción de electrones y la difracción de neutrones.
2. choque inelástico: Por ejemplo la espectroscopía Raman.
3. Absorción o emisión resonante de fotones.

Aspectos generales

La espectroscopía se relaciona en la mayoría de los casos a la tercera interacción. Estudia en cual frecuencia o longitud de onda una substancia puede absorber o emitir energía en forma de un cuanto de luz.

La energía de un cuanto de luz de una onda electromagnética o su correspondiente frecuencia, equivale a la diferencia de energía de dos estados cuánticos de la substancia estudiada:

$\Delta E={\mathit {h}}\cdot \nu$

${\mathit {h}}$ es la constante de Planck, $\nu$ es la frecuencia del cuanto de luz y $\Delta E$ es la diferencia de energía. Esta ecuación es conocida también como la ecuación básica de la espectroscopía. Las diferencias de energía entre estados cuánticos dependen de la composición química de la prueba o de la estructura de la molécula, y es por eso que este método proporciona infomación importante para químicos, físicos y biólogos.

Por medio de un espectrómetro se mide el espectro de la luz (Intensidad de la luz absorbida, reflejada o emitida en función de la frecuencia o de la longitud de onda). Los espectros se diferencían considerablemente de elemento a elemento.

En general, se denota como espectro a la gráfica de la intensidad en función de la frecuencia o de la longitud de onda.

Además de de la luz visible, la espectroscopía cubre hoy en día una gran parte del espectro electromagnético, que vá de las microondas hasta los rayos gamma.

El objetivo de la espectroscopía es obtener información acerca de una prueba o de una cuerpo radiante, por ejemplo:

• la estructura interna o la temperatura (por ejemplo de estrellas)
• la composición o la dinámica un una reacción química
• la espectroscopía analítica identifica átomos o moléculas por medio de sus espectros

Etimología

Por analogía con otras palabras que designan ramas de la ciencia, es frecuente «romper» el diptongo final convirtiendo «espectroscopia» en «espectroscopía» (nótese el acento sobre la i). Tanto la forma con hiato (ía), acorde con la pronunciación etimológica griega, como la forma con diptongo (ia) son aceptadas por la Real Academia Española.

Origen

La luz visible es físicamente idéntica a todas las radiaciones electromagnéticas. Es visible para nosotros porque nuestros ojos detectan esta estrecha banda de radiación del espectro electromagnético completo. Esta banda es la radiación dominante que emite nuestro Sol. Desde la antigüedad, científicos y filósofos han especulado sobre la naturaleza de la luz. Nuestra comprensión moderna de la luz comenzó con el experimento del prisma de Isaac Newton, con el que comprobó que cualquier haz incidente de luz blanca, no necesariamente procedente del Sol, se descompone en el espectro del arcoiris (del rojo al violeta). Newton tuvo que esforzarse en demostrar que los colores no eran introducidos por el prisma, sino que realmente eran los constituyentes de la luz blanca. Posteriormente, se pudo comprobar que cada color correspondía a un único intervalo de frecuencias o longitudes de onda.

En los siglos XVIII y XIX, el prisma usado para descomponer la luz fue reforzado con rendijas y lentes telescópicas con lo que se consiguió así una herramienta más potente y precisa para examinar la luz procedente de distintas fuentes. Joseph von Fraunhofer utilizó este espectroscopio inicial para descubrir que el espectro de la luz solar estaba dividido por una serie de líneas oscuras, cuyas longitudes de onda se calcularon con extremo cuidado. Por el contrario, la luz generada en laboratorio mediante el calentamiento de gases, metales y sales mostraba una serie de líneas estrechas, coloreadas y brillantes sobre un fondo oscuro. La longitud de onda de cada una de estas bandas era característica del elemento químico que había sido calentado. Por entonces, surgió la idea de utilizar estos espectros como huella digital de los elementos observados. A partir de ese momento, se desarrolló una verdadera industria dedicada exclusivamente a la realización de espectros de todos los elementos y compuestos conocidos.

También se descubrió que si se calentaba un elemento lo suficientemente (incandescente), producía luz blanca continua, un espectro completo de todos los colores, sin ningún tipo de línea o banda oscura en su espectro. En poco tiempo llegó el progreso: se pasó la luz incadescente de espectro continuo por una fina película de un elemento químico elegido que estaba a temperatura menor. El espectro resultante tenía líneas oscuras, idénticas a las que aparecían en el espectro solar, precisamente en las frecuencias donde el elemento químico particular producía sus líneas brillantes cuando se calentaba. Es decir, cada elemento emite y absorbe luz a ciertas frecuencias fijas características del mismo.

Las líneas oscuras de Fraunhofer, que aparecían en el espectro solar, son el resultado de la absorción de ciertas frecuencias características por los elementos químicos presentes en las capas más exteriores de nuestra estrella (espectro de absorción). Aún había dudas: en 1878, en el espectro solar se detectaron líneas que no casaban con las de ningún elemento conocido. De ello, los astrónomos predijeron la existencia de un elemento nuevo, llamado helio. En 1895 se descubrió el helio terrestre.

De igual forma que la teoría universal de la gravitación de Newton probó que se pueden aplicar las mismas leyes tanto en la superficie de la Tierra como para definir las órbitas de los planetas, la espectroscopia demostró que existen los mismos elementos químicos tanto en la Tierra como en el resto del Universo.

Relación con el estudio de los astros

Los astros, así como la materia interestelar, emiten ondas electromagnéticas; los astrónomos han llegado al conocimiento de cuanto sabemos del ámbito extraterrestre descifrando los mensajes que portan esas ondas cuando llegan a nuestro planeta. Debe advertirse que la emisión y las modificaciones ulteriores experimentadas por esas radiaciones son resultado de no pocos factores: la composición química de la fuente que los emite, temperatura, presión y grado de ionización a que se halla la misma, influencia de los campos magnéticos y eléctricos, etc. Por otra parte, como los físicos han reproducido en sus laboratorios esos diferentes estados de la materia y obtenido los espectros correspondientes, éstos sirven de patrones que permiten analizar los espectros de los cuerpos celestes y extraer toda la información que contienen. en el caso de los espectros luminosos, los estudios constituyen el análisis espectral.

Además de indicar la composición química de la fuente luminosa y el estado físico de su materia, el espectro revela si el cuerpo luminoso y la Tierra se acercan o se alejan entre sí, además de indicar la velocidad relativa a la que lo hacen (efecto Doppler-Fizeau).

Campos de estudio

Espectroscopia atómica
Técnica	Excitación	Relajación
Espectroscopia de emisión atómica	Calor	UV-vis
Espectroscopia de absorción atómica	UV-vis	Calor
Espectroscopia de fluorescencia atómica	UV-vis	UV-vis
Espectroscopia de rayos X	Rayos X	Rayos X
Espectroscopia molecular
Técnica	Radiación electromagnética
Espectroscopia de resonancia magnética nuclear	Radiofrecuencias
Espectroscopia de microondas	Microondas
Espectroscopia infrarroja	Infrarrojo
Espectroscopia ultravioleta-visible	Ultravioleta-visible
Espectroscopia de fluorescencia ultravioleta-visible	Ultravioleta-visible

• Espectroscopia astronómica
• Espectroscopia de absorción atómica
• Espectroscopia de fluorescencia
• Espectroscopia de rayos X
• Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
• Espectroscopia de microondas
• Espectroscopia infrarroja
• Espectroscopia ultravioleta-visible

Véase también

• Espectrómetro
• Métodos espectrométricos
• Espectro de frecuencias
• Dispersión inelástica de neutrones

Enlaces externos

• Espectrometria .com Información sobre técnicas espectroscópicas.
• NIST - Basic Atomic Spectroscopy Data (En inglés) Este libro de bolsillo ha sido diseñado para proveer una selección de los datos de espectroscopia atómica más importantes y frecuentemente usados.