Espectroscopia

Espectroscopia
	método analítico (es) y rama de la química (es)
	fisicoquímica

La espectroscopia ye l'estudiu de la interacción ente la radiación electromagnético y la materia, con absorción o emisión d'enerxía radiante. Tien aplicaciones en astronomía, física, química y bioloxía, ente otres disciplines científiques.

Lluz visible como parte del espectru electromagnéticu

El analís espectral basar en detectar l'absorción o emisión de radiación electromagnético a ciertes llonxitúes d'onda, en rellación colos niveles d'enerxía implicaos nuna transición cuántica.

Esisten tres casos d'interacción cola materia:

choque elásticu: esiste namái un cambéu nel impulsu de los fotones (por casu, los rayos X, la difracción d'electrones y la difracción de neutrones);
choque inelástico: por casu, la espectroscopia Raman;
absorción o emisión resonante de fotones.

Aspeutos xenerales

El mecanismu pol cual la materia emite radiación electromagnético ye'l dominiu de la espectroscopia. La radiación electromagnético atribuyir a les diferencies d'enerxía nes transiciones de los electrones d'unos niveles atómicos a otros. La espectroscopia rellacionar na mayoría de los casos cola tercer interacción. Estudia en qué frecuencia o llonxitú d'onda una sustancia puede absorber o emitir enerxía en forma d'un cuanto de lluz.

La enerxía d'un fotón (un cuanto de lluz) d'una onda electromagnética o la so correspondiente frecuencia equival a la diferencia d'enerxía ente dos estaos cuánticos de la sustancia estudiao:

\Delta Y={\mathit {h}}\cdot \nu

onde ${\mathit {h}}$ ye la constante de Planck, $\nu$ ye la frecuencia del fexe de lluz o onda electromagnética asociada a esi cuanto de lluz y $\Delta Y$ ye la diferencia d'enerxía. Esta ecuación ye conocida tamién como la ecuación básica de la espectroscopia. Les diferencies d'enerxía ente estaos cuánticos dependen de la composición elemental de la prueba o de la estructura de la molécula, y por eso esti métodu apurre información importante p'astrónomos, físicos, químicos y biólogos.

Per mediu d'un espectrofotómetro mídese l'espectru de la lluz (intensidá de la lluz absorbida, reflexada o emitida en función de la frecuencia o del llonxitú d'onda). Los espectros estrémense considerablemente d'elementu a elementu.

Definición de espectru

Polo xeneral, denominar espectru a la distribución de la intensidá en función de la frecuencia o de la llonxitú d'onda.

Amás de la lluz visible, la espectroscopia cubre anguaño una gran parte del espectru electromagnéticu.

Oxetivu de la espectroscopía

L'oxetivu de la espectroscopia ye llograr información alrodiu de una prueba o d'un cuerpu radiante. Por casu:

la estructura interna o la temperatura (por casu d'estrelles);
la composición o la cinética d'una reacción química;
la espectroscopia analítica identifica átomos o molécules per mediu de los sos espectros.

Etimoloxía y ortografía

Por analoxía con otres pallabres que designen cañes de la ciencia, ye frecuente «romper» el diptongu final convirtiendo «espectroscopia» en «espectroscopía» (nótese la tilde sobre la i). Tanto la forma con diptongu (ia), como la forma con hiatu (ía) acorde cola pronunciación etimolóxica griega, son aceptaes pola Real Academia Española.

Antecedentes históricos

La lluz visibl

e ye físicamente idéntica a toles radiaciones electromagnétiques. Ye visible pal ser humanu, porque'l güeyu detecta esta estrecha banda de radiación del espectru electromagnéticu completu. Esta banda ye la radiación dominante qu'emite'l Sol.

Dende l'antigüedá, científicos y filósofos especularon sobre la naturaleza de la lluz. La comprensión moderna de la lluz empezó col esperimentu del prisma d'Isaac Newton, col que comprobó que cualesquier fai incidente de lluz blanco, non necesariamente procedente del Sol, descomponer nel espectru del arcu iris (del colloráu al violeta). Newton tuvo qu'esforciase en demostrar que los colores nun yeren introducíos pol prisma, sinón que realmente yeren los constituyentes de la lluz blanco. Darréu, pudo comprobase que cada color correspondía a un únicu intervalu de frecuencies o llonxitúes d'onda.

Nos sieglos XVIII y XIX, el prisma usáu pa descomponer la lluz foi reforzáu con rendijas y lentes telescópiques colo que se consiguió asina una ferramienta más potente y precisa pa esaminar la lluz procedente de distintes fontes. Joseph von Fraunhofer, astrónomu y físicu, utilizó esti espectroscopiu inicial p'afayar que l'espectru de la lluz solar taba estremáu por una serie de llinies escures, que les sos llonxitúes d'onda calcular con estremu cuidu. Otra manera, la lluz xenerada en llaboratoriu por aciu el calentamientu de gases, metales y sales amosaba una serie de llinies estreches, coloriaes y brillosos sobre un fondu escuru. La llonxitú d'onda de caúna d'estes bandes yera carauterística del elementu que fuera calecíu. Daquella, surdió la idea d'utilizar estos espectros como buelga dixital de los elementos reparaos. A partir d'esi momentu, desenvolvióse una verdadera industria dedicada puramente a la realización d'espectros de tolos elementos y compuestos conocíos.

Tamién s'afayó que, si calecía un elementu lo suficientemente (incandescente), producía lluz blanca continua, un espectru completu de tolos colores, ensin nengún tipu de llinia o banda escura nel so espectru. En poco tiempu llegó'l progresu: pasóse la lluz incandescente d'espectru continuu por una fina película d'un elementu escoyíu que taba a temperatura menor. L'espectru resultante tenía llinies escures, idéntiques a les qu'apaecíen nel espectru solar, precisamente nes frecuencies onde l'elementu particular producía les sos llinies brilloses cuando se calecer. Esto ye, cada elementu emite y absuerbe lluz a ciertes frecuencies fixes carauterístiques del mesmu.

Les llinies escures de Fraunhofer, qu'apaecíen nel espectru solar, son la resultancia de l'absorción de ciertes frecuencies carauterístiques polos elementos presentes nes capes más esteriores de la nuesa estrella (espectru d'absorción). Entá había duldes: en 1878, nel espectru solar detectáronse llinies que nun casaben coles de nengún elementu conocíu. D'ello, los astrónomos predixeron la esistencia d'un elementu nuevu, llamáu heliu. En 1895 afayóse l'heliu terrestre.

D'igual forma que la teoría universal de la gravitación de Newton probó que pueden aplicase les mesmes lleis tantu na superficie de la Tierra como pa definir les órbites de los planetes, la espectroscopia demostró qu'esisten los mesmos elementos tantu na Tierra como nel restu del Universu.

Rellación col estudiu de los astros

Los astros, según la materia interestelar, emiten ondes electromagnétiques; los astrónomos llegaron a la conocencia de cuanto sabemos del ámbitu estraterrestre descifrando los mensaxes que porten eses ondes cuando lleguen al nuesu planeta. Tien De alvertise que la emisión y los cambeos ulteriores esperimentaes por eses radiaciones son resultáu de non pocos factores: la composición elemental de la fonte que los emite, temperatura, presión y grau d'ionización a que se topa la mesma, influencia de los campos magnéticu y llétricu, etc. Per otra parte, como los astrónomos y físicos reproducieron nos sos llaboratorios esos distintos estaos de la materia y llográu los espectros correspondientes, éstos sirven de patrones que dexen analizar los espectros de los cuerpos celestes y estrayer tola información que contienen. Nel casu de los espectros lluminosos, los estudios constitúin el analís espectral, que consiste específicamente nel estudiu d'una lluz primeramente descompuesta en radiaciones monocromáticas por aciu un prisma o una rede de difracción.

Per otra parte les orbitales del átomu d'un elementu químicu son tan carauterístiques del mesmu como les buelgues dixitales d'un individuu, y siempres distintos de les de cualesquier otru elementu. Ye según los físicos pudieron catalogar el conxuntu de les radiaciones lluminoses qu'emite cada unu de los elementos cuando se topa n'estáu d'incandescencia.

La lluz que recibimos d'una estrella, por casu, consiste nun amiestu de radiaciones, dalgunes de les cualos provienen d'átomos d'hidróxenu, d'heliu, de fierro, etc. Si a esa lluz facer pasar por una rendija pa llograr un fexe llargo y estrecho, y si ésti traviesa un prisma, les distintes radiaciones van quedar clasificaes, una y bones el prisma esvia escontra un estremu les de llonxitú d'onda más llarga (correspondientes a la lluz colorada) y escontra l'otru les de llonxitú d'onda más curtia (fana al azul lluz violeta); ente dambos estremos ordenarán les ondes de llargor entemediu: anaranxáu, mariellu, verde, azul y añil. D'últimes, asina se llogra un espectru continuu que'l so aspeutu ye'l d'una estrecha franxa tresversal d'arcu iris.

Ente la emisión d'esi espectru polos átomos escitaos pol calor de la estrella y la so receición na Tierra intervién otru fenómenu que ye'l que dexa l'analís espectral. Cada vez qu'una radiación emitida atopa, mientres el so espardimientu na mesma atmósfera de la estrella, un vapor que contién átomos del mesmu elementu, ye absorbida por unu d'estos. Poro, nel espectru d'aquella estrella que se va llograr na Tierra cada unu de los puestos correspondientes a les llonxitúes d'onda interceptaes va quedar faltu de lluz y nél va apaecer una raya escura. Asina, en llugar del espectru d'emisión va llograse un espectru d'absorción que va contener en forma de rayes les buelgues de tolos elementos químicos esistentes nel astru.

Amás d'indicar la composición elemental de la fonte lluminosa y l'estáu físicu de la so materia, l'espectru revela si'l cuerpu lluminosu y la Tierra avérense o s'alloñar ente sigo, amás d'indicar la velocidá relativa a la que lo faen (efeutu Doppler-Fizeau).

Aplicaciones

Nel espectru de les estrelles siempres esiste una zona de radiaciones más intenses que les demás. Esa preponderancia ye independiente de la composición química del astru y resulta de la temperatura superficial d'ésti. Sabemos por esperiencia que, si a un metal calézse-y progresivamente, ésti empezar per tener una incandescencia de color coloráu escuru que va volviéndose cada vez más claru y acaba per dar una lluz blanco. Asina, les estrelles coloraes son menos calientes que les anaranxaes, y éstes de les marielles y asina en más. Partiendo de los espectros, los astrónomos pudieron pescudar la temperatura superficial de les estrelles y clasificales en grupos (Diagrama Hertzprung-Russell).

Per otra parte, al comparar les rayes del espectru d'una estrella coles d'una lluz terrestre, reparar que nel espectru estelar les rayes atópense corríes llixeramente escontra l'estremu colloráu del espectru o escontra'l color violeta. Esi fenómenu, debíu al efeutu Doppler-Fizeau, dexa calcular la velocidá radial cola que la estrella allóñase o s'avera a la Tierra. En particular, dexó afayar que toles galaxes allóñense unes d'otres, lo cual constitúi una prueba de la espansión del Universu.

Finalmente, gracies al analís espectral ye que, por casu, afayóse'l heliu en 1868 n'identificando les rayes llograes nun espectru depués d'un eclís solar. De magar, l'analís espectral de los cuerpos celestes reveló que toos componer de los elementos que conocemos na Tierra y que figuren na tabla periódica de Mendeleiev.

Campos d'estudiu

Espectroscopia molecular
Espectroscopia atómica \|-----			Téunica	Escitación	Relaxación
Espectroscopia de absorción atómica	UV-vis	Calor
Espectroscopia de emisión atómica	Calor	UV-vis
Espectroscopia de fluorescencia atómica	UV-vis	UV-vis
Espectroscopia de rayos X	Rayos X	Rayos X
Téunica	Radiación electromagnético \|-----		Espectroscopia de resonancia magnética nuclear	Radiofrecuencies
Espectroscopia de microondes	Microondes
Espectroscopia infrarroxa	Infrarroxu \|-----		Espectroscopia ultravioleta-visible	Ultravioleta-visible \|-----		Espectroscopia de fluorescencia ultravioleta-visible	Ultravioleta-visible

Ver tamién

Referencies

Enllaces esternos

Espectrometria.com Información sobre téuniques espectroscópicas
NIST - Basic Atomic Spectroscopy Data (N'inglés) Una seleición de los datos de espectroscopia atómica más importantes y más frecuentemente usaos
Espectroscopia de nanohilos

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