Espectroscopia
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Espectro de luz de una llama de alcohol
Luz visible como parte del espectro electromagnГ©tico
La espectroscopia o espectroscopía1​ es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Tiene aplicaciones en astronomía, física, química y biología, entre otras disciplinas científicas.
El anГЎlisis espectral se basa en detectar la absorciГіn o emisiГіn de radiaciГіn electromagnГ©tica a ciertas longitudes de onda, en relaciГіn con los niveles de energГ­a implicados en una transiciГіn cuГЎntica.
Existen tres casos de interacciГіn con la materia:
choque elГЎstico: existe solo un cambio en el impulso de los fotones (por ejemplo, los rayos X, la difracciГіn de electrones y la difracciГіn de neutrones);
choque inelГЎstico: por ejemplo, la espectroscopia Raman;
absorciГіn o emisiГіn resonante de fotones.
TeorГ­a
La teoría central de la espectroscopia es que la luz está formada por diferentes longitudes de onda y que cada longitud de onda corresponde a una frecuencia diferente. La importancia de la espectroscopia se centra en el hecho de que cada elemento diferente en la tabla periódica tiene un espectro de luz único descrito por las frecuencias de luz que emite o absorbe, apareciendo consistentemente en la misma parte del espectro electromagnético cuando esa luz es difractada. Esto abrió todo un campo de estudio con cualquier cosa que contenga átomos, que es toda la materia. La espectroscopia es la clave para comprender las propiedades atómicas de toda la materia. De esta manera, la espectroscopia abrió muchos nuevos subcampos de la ciencia aún por descubrir. La idea de que cada elemento atómico tiene su propia firma espectral ha permitido utilizar la espectroscopia en un gran número de campos, cada uno de ellos con un objetivo específico que se consigue mediante procedimientos espectroscópicos diferentes. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología mantiene una base de datos pública de espectros atómicos que se actualiza continuamente con mediciones precisas.2​
La ampliación del campo de la espectroscopia se debe al hecho de que cualquier parte del espectro electromagnético puede utilizarse para analizar una muestra, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, indicando a los científicos diferentes propiedades sobre la misma muestra. Por ejemplo, en el análisis químico, los tipos más comunes de espectroscopia incluyen la espectroscopia atómica, la espectroscopia infrarroja, la espectroscopia ultravioleta y visible, la espectroscopia Raman y la resonancia magnética nuclear.3​ En la resonancia magnética nuclear (RMN), la teoría que la sustenta es que la frecuencia es análoga a la resonancia y su correspondiente frecuencia resonante. Las resonancias por la frecuencia se caracterizaron por primera vez en sistemas mecánicos como péndulos que tienen una frecuencia de movimiento notada famosamente por Galileo.4​.
Aspectos generales
El mecanismo por el cual la materia emite radiaciГіn electromagnГ©tica es el dominio de la espectroscopia. La radiaciГіn electromagnГ©tica se atribuye a las diferencias de energГ­a en las transiciones de los electrones de unos niveles atГіmicos a otros. La espectroscopia se relaciona en la mayorГ­a de los casos con la tercera interacciГіn. Estudia en quГ© frecuencia o longitud de onda una sustancia puede absorber o emitir energГ­a en forma de un cuanto de luz.
La energГ­a de un fotГіn (un cuanto de luz) de una onda electromagnГ©tica o su correspondiente frecuencia equivale a la diferencia de energГ­a entre dos estados cuГЎnticos de la sustancia estudiada:
О”
рќђё
=
в„Ћ
в‹…
рќњ€{\displaystyle \Delta E={\mathit {h}}\cdot \nu }
donde в„Ћ
{\displaystyle {\mathit {h}}} es la constante de Planck, рќњ€{\displaystyle \nu } es la frecuencia del haz de luz u onda electromagnГ©tica asociada a ese cuanto de luz y О”
рќђё
{\displaystyle \Delta E} es la diferencia de energГ­a. Esta ecuaciГіn es conocida tambiГ©n como la ecuaciГіn bГЎsica de la espectroscopia. Las diferencias de energГ­a entre estados cuГЎnticos dependen de la composiciГіn elemental de la prueba o de la estructura de la molГ©cula, y por eso este mГ©todo proporciona informaciГіn importante para astrГіnomos, fГ­sicos, quГ­micos y biГіlogos.
Por medio de un espectrofotГіmetro se mide el espectro de la luz (intensidad de la luz absorbida, reflejada o emitida en funciГіn de la frecuencia o de la longitud de onda). Los espectros se diferencian considerablemente de elemento a elemento.
DefiniciГіn de В«espectroВ»
En general, se denomina В«espectroВ» a la distribuciГіn de la intensidad en funciГіn de la frecuencia o de la longitud de onda.
AdemГЎs de la luz visible, la espectroscopia cubre hoy en dГ­a una gran parte del espectro electromagnГ©tico.
Objetivo de la espectroscopia
El objetivo de la espectroscopia es obtener informaciГіn acerca de una prueba o de un cuerpo radiante. Por ejemplo:
la estructura interna o la temperatura (por ejemplo de estrellas);
la composiciГіn o la cinГ©tica de una reacciГіn quГ­mica;
la espectroscopia analГ­tica identifica ГЎtomos o molГ©culas por medio de sus espectros.
Historia
Esta secciГіn es un extracto de Historia de la espectroscopia.[editar]
La luz puede ser separada en un espectro mediante un prisma. El espectro resultante puede ser entonces analizado
Joseph von Fraunhofer en una demostraciГіn del espectroscopio.
ComparaciГіn de principios del siglo xx de espectros elementales, solares y estelares
La historia de la espectroscopia comenzó con los experimentos de óptica de Isaac Newton (1666-1672). Desde la antigüedad, los filósofos naturales habían especulado sobre la naturaleza de la luz y su comprensión moderna comenzó con el experimento del prisma: «En 1672, en el primer artículo que envió a la Royal Society, Isaac Newton describió un experimento en el que permitió que la luz del sol pasara a través de un pequeño orificio y luego a través de un prisma, Newton descubrió que la luz del sol, que nos parece blanca, en realidad está formado por una mezcla de todos los colores del arcoíris».Fr. 1​ Newton aplicó la palabra «espectro» (spectrum) para describir el arcoíris de colores que se combinan para formar la luz blanca y que se revelan cuando cualquier haz incidente de luz blanca, no necesariamente procedente del Sol, pasa a través de un prisma. Newton tuvo que esforzarse para demostrar que los colores no eran introducidos por el prisma, sino que realmente eran los constituyentes de la luz blanca.
En los siglos xviii y xix, el prisma usado para descomponer la luz fue mejorado 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. «En 1802, William Hyde Wollaston construyó un espectrómetro mejorado que incluía una lente para enfocar el espectro del Sol sobre una pantalla. Al usarlo, Wollaston se dio cuenta de que los colores no se distribuían uniformemente, sino que faltaban parches de colores, que aparecían como bandas oscuras en el espectro».Fr. 2​ Joseph von Fraunhofer, astrónomo y físico, utilizó ese espectroscopio dispersivo inicial para descubrir en 1815 que el espectro de la luz solar estaba dividido por una serie de líneas oscuras —hoy líneas de Fraunhofer—, cuyas longitudes de onda calculó con extremo cuidado.Fr. 3​
Sin embargo, la luz generada en laboratorio mediante el calentamiento de gases, metales y sales mostraba una serie de lГ­neas estrechas, coloreadas y brillantes sobre un fondo oscuro. La longitud de onda de cada una de esas bandas era caracterГ­stica del elemento que se habГ­a calentado y fue cuando surgiГі la idea de utilizar esos espectros como huella digital de los elementos. A partir de ese momento, se desarrollГі una verdadera industria dedicada exclusivamente a la realizaciГіn de espectros de todos los elementos y compuestos conocidos: la espectroscopia se convirtiГі en una tГ©cnica cientГ­fica mГЎs precisa y cuantitativa que desempeГ±Гі, y sigue desempeГ±ando, un papel importante en la quГ­mica, la fГ­sica y la astronomГ­a.
También se descubrió que, si se calentaba un elemento lo suficientemente (incandescente), producía una luz blanca continua, con un espectro completo de todos los colores, sin ningún tipo de línea o banda oscura. En poco tiempo se avanzó al hacer pasar esa luz de espectro continuo a través de una fina película a una temperatura menor de un elemento seleccionado. En 1860, el físico Gustav Kirchhoff y el químico Robert Bunsen, tras un laborioso trabajo para obtener muestras puras de los elementos conocidos, ya habían mostrado que las líneas oscuras en el espectro solar correspondían con las líneas brillantes en los espectros de algunos gases conocidos, siendo líneas específicas que correspondían a elementos químicos únicos presentes en la atmósfera del Sol: cada elemento emitía y absorbía luz a ciertas frecuencias fijas que lo caracterizaban.5​ Kirchhoff dedujo que las líneas oscuras en el espectro solar eran causadas por la absorción de elementos químicos en la atmósfera solar.6​ De esta manera se comprobó que los elementos químicos que se encuentran en el Sol y en las estrellas también se encontraban en la Tierra y fue la prueba de que la materia de los objetos celestes era la misma que la de la Tierra. Este descubrimiento también condujo a un nuevo método de análisis indirecto, que permitía conocer la constitución química de las estrellas lejanas y clasificarlas.
Kirchhoff y Bunsen estudiaron el espectro del Sol en 1861, identificando los elementos químicos de la atmósfera solar y descubriendo dos nuevos elementos en el transcurso de sus investigaciones, el cesio y el rubidio.7​ Norman Lockyer también estudió los espectros solares y estelares y en 1868 detectó líneas radiantes y oscuras en los espectros solares. Trabajando con el químico Edward Frankland para investigar los espectros de los elementos a varias temperaturas y presiones, no pudo asociar una línea amarilla del espectro solar con ningún elemento conocido, afirmando que la línea representaba un nuevo elemento, que llamó helio, en honor al griego Helios, la personificación del sol.8​9​ En 1895 se descubrió el helio terrestre.
RelaciГіn con el estudio de los astros
Los astros, asГ­ como la materia interestelar, emiten ondas electromagnГ©ticas; los astrГіnomos han llegado al conocimiento de cuanto sabemos del ГЎmbito extraterrestre descifrando los mensajes que portan esas ondas cuando llegan a nuestro planeta. Debe advertirse que la emisiГіn y las modificaciones ulteriores experimentadas por esas radiaciones son resultado de no pocos factores: la composiciГіn elemental de la fuente que los emite, temperatura, presiГіn y grado de ionizaciГіn a que se halla la misma, influencia de los campos magnГ©ticos y elГ©ctricos, etc. Por otra parte, como los astrГіnomos y fГ­sicos han reproducido en sus laboratorios esos diferentes estados de la materia y obtenido los espectros correspondientes, estos sirven de patrones que permiten analizar los espectros de los cuerpos celestes y extraer toda la informaciГіn que contienen. En el caso de los espectros luminosos, los estudios constituyen el anГЎlisis espectral, que consiste especГ­ficamente en el estudio de una luz previamente descompuesta en radiaciones monocromГЎticas mediante un prisma o una red de difracciГіn.
Por otra parte las orbitales del ГЎtomo de un elemento quГ­mico son tan caracterГ­sticas del mismo como las huellas digitales de un individuo, y siempre diferentes de las de cualquier otro elemento. Es asГ­ como los fГ­sicos han podido catalogar el conjunto de las radiaciones luminosas que emite cada uno de los elementos cuando se halla en estado de incandescencia.
La luz que recibimos de una estrella, por ejemplo, consiste en una mezcla de radiaciones, algunas de las cuales provienen de ГЎtomos de hidrГіgeno, de helio, de hierro, etc. Si a esa luz se la hace pasar por una rendija para obtener un haz largo y estrecho, y si este atraviesa un prisma, las distintas radiaciones quedarГЎn clasificadas, ya que el prisma desvГ­a hacia un extremo las de longitud de onda mГЎs larga (correspondientes a la luz roja) y hacia el otro las de longitud de onda mГЎs corta (luz violeta); entre ambos extremos se ordenarГЎn las ondas de longitud intermedia: anaranjado, amarillo, verde, azul y aГ±il. En suma, asГ­ se obtiene un espectro continuo cuyo aspecto es el de una estrecha franja transversal de arcoГ­ris.
Entre la emisiГіn de ese espectro por los ГЎtomos excitados por el calor de la estrella y su recepciГіn en la Tierra interviene otro fenГіmeno que es el que permite el anГЎlisis espectral. Cada vez que una radiaciГіn emitida encuentra, durante su propagaciГіn en la misma atmГіsfera de la estrella, un vapor que contiene ГЎtomos del mismo elemento, es absorbida por uno de estos. Por consiguiente, en el espectro de aquella estrella que se obtendrГЎ en la Tierra cada uno de los puestos correspondientes a las longitudes de onda interceptadas quedarГЎ falto de luz y en Г©l aparecerГЎ una raya oscura. AsГ­, en lugar del espectro de emisiГіn se obtendrГЎ un espectro de absorciГіn que contendrГЎ en forma de rayas las huellas de todos los elementos quГ­micos existentes en el astro.
AdemГЎs de indicar la composiciГіn elemental de la fuente luminosa y el estado fГ­sico de su materia, el espectro revela si el cuerpo luminoso y la Tierra se acercan o se alejan entre sГ­, ademГЎs de indicar la velocidad relativa a la que lo hacen (efecto Doppler-Fizeau).
Aplicaciones
En el espectro de las estrellas siempre existe una zona de radiaciones mГЎs intensas que las demГЎs. Esa preponderancia es independiente de la composiciГіn quГ­mica del astro y resulta de la temperatura superficial de este. Sabemos por experiencia que, si a un metal se le calienta progresivamente, este empieza por tener una incandescencia de color rojo oscuro que va volviГ©ndose cada vez mГЎs claro y acaba por dar una luz blanca. AsГ­, las estrellas rojas son menos calientes que las anaranjadas, y estas de las amarillas y asГ­ en mГЎs. Partiendo de los espectros, los astrГіnomos han podido averiguar la temperatura superficial de las estrellas y clasificarlas en grupos (diagrama de Hertzsprung-Russell).
Por otra parte, al comparar las rayas del espectro de una estrella con las de una luz terrestre, se observa que en el espectro estelar las rayas se encuentran corridas ligeramente hacia el extremo rojo del espectro o hacia el color violeta. Ese fenГіmeno, debido al efecto Doppler-Fizeau, permite calcular la velocidad radial con la que la estrella se aleja o se acerca a la Tierra. En particular, ha permitido descubrir que todas las galaxias se alejan unas de otras, lo cual constituye una prueba de la expansiГіn del universo.
Finalmente, gracias al anГЎlisis espectral se descubriГі el helio en 1868 tras identificar las rayas obtenidas en un espectro despuГ©s de que tuviese lugar un eclipse solar. Desde entonces, el anГЎlisis espectral de los cuerpos celestes ha revelado que todos se componen de los elementos que conocemos en la Tierra y que figuran en la tabla periГіdica de Mendeleiev.
Tipos de espectroscopia
Los principales fenГіmenos utilizados son:
la emisiГіn de radiaciones por una muestra despuГ©s de la excitaciГіn por una fuente Гіptica, tГ©rmica o elГ©ctrica: espectroscopia de emisiГіn;
la absorciГіn de radiaciones por una muestra cuando es iluminada por una fuente Гіptica: espectroscopia de absorciГіn;
la fluorescencia (absorciГіn y luego emisiГіn de radiaciГіn): espectroscopia de fluorescencia.
Estos fenómenos pueden hacer intervenir:10​
las propiedades moleculares, involucrando a los electrones que participan en los enlaces quГ­micos: espectroscopia molecular;
las propiedades atГіmicas, involucrando a los electrones de los ГЎtomos: espectroscopia atГіmica.
La siguiente tabla presenta una ilustraciГіn de las diferentes tГ©cnicas de espectroscopia en funciГіn del dominio de longitud de onda.
TГ©cnicas de espectroscopia electromagnГ©tica por dominio de longitud de onda
Dominio de longitud de ondaLongitud de ondaTipo de espectroscopiaComentarios
Radiofrecuencia> 100 ВµmEspectroscopia de resonancia magnГ©tica nuclearEnlace quГ­mico, conformaciГіn molecular, distancias interatГіmicas
Resonancia paramagnética electrónicaentidades paramagnéticas (radicales, especies transitorias…)
Resonancia ferromagnГ©ticaMagnetizaciГіn materiales ferromagnГ©ticos
Microondas> 30 ВµmEspectroscopia rotacionalEstructura de pequeГ±as molГ©culas (agua, ozono, cloruro de hidrГіgeno gaseoso, etc.) con alta precisiГіn
Infrarrojo1-20 ВµmEspectroscopia infrarrojaagrupamientos funcionales de una molГ©cula orgГЎnica, enlaces quГ­micos, estructura de la molГ©cula
Espectroscopia del infrarrojo cercano
Espectroscopia vibracional
Visible y ultravioletaГ—102 nmEspectroscopia ultravioleta-visibleDosificaciГіn de compuestos orgГЎnicos conjugados y metales de transiciГіn
EspectrofotometrГ­a
Espectroscopia Ramanfrecuencias de modos de vibraciГіn del cristal/molГ©cula, energГ­a de ondas de espГ­n
Espectroscopia de fluorescenciamolГ©culas fluorescentes, entorno local de la molГ©cula (conformaciГіn e interacciones)
Espectroscopia de correlaciГіn de fluorescencia
Espectroscopia Brillouinconstantes elГЎsticas y caracterГ­sticas magnГ©ticas de un material (magnetizaciГіn, intercambio, etc.)
Rayos X< 100 nmEspectroscopia de absorciГіn de rayos X (EXAFS y XANES)EXAFS: entorno local de un ГЎtomo, distancias con vecinos mГЎs cercanos
XANES: estado de oxidaciГіn, coordinaciГіn
XPS: composiciГіn quГ­mica en la superficie de un material (estado de oxidaciГіn, cuantificaciГіn de elementos, etc.)
Espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS)
Espectroscopia de Fluorescencia de rayos X clГЎsica y en reflexiГіn totalCuantificaciГіn de elementos quГ­micos
Microsonda de CastaingcuantificaciГіn de elementos quГ­micos (anГЎlisis local del orden de 1 Вµm3)
Rayos gamma0.01 nmEspectroscopia gammaelementos radiactivos
Espectroscopia Mössbauerestado de oxidación, orden magnético
Otras tГ©cnicas de espectroscopia
EspectrometrГ­a de masas
ArtГ­culo principal: EspectrometrГ­a de masas
Espectroscopia de masas de ionizaciГіn secundaria
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Otros
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La espectroscopia en astronomГ­a
ArtГ­culo principal: Espectroscopia astronГіmica
La espectroscopia es una tГ©cnica muy utilizada en astronomГ­a, principalmente en el UV, Гіptica e infrarrojo. Se distingue:
la espectroscopia de rendija larga que usa los primeros Гіrdenes de difracciГіn y generalmente se usa para espectroscopia de un solo objeto a la vez;
la espectroscopia de escala que utiliza los altos Гіrdenes de difracciГіn y que permite alcanzar resoluciones espectrales muy altas;
la espectroscopia multiobjetos que se dedica a la espectroscopia simultГЎnea de varios objetos a la vez, ya sea mediante mГЎscaras o utilizando fibras Гіpticas.
VГ©ase tambiГ©n
DispersiГіn inelГЎstica de neutrones
Espectro de frecuencias
EspectrГіmetro
Historia de la espectroscopia
MГ©todos espectromГ©tricos
Referencias
В«espectroscopГ­aВ». RAE.
Base de datos de espectros atГіmicos, NIST, https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database
Saul, Louise. (2020, 06 de abril). Los diferentes tipos de espectroscopia para el anГЎlisis quГ­mico. AZoOptics. Recuperado el 10 de noviembre de 2021 de https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=1382.
Isaac Asimov, Understanding Physics, Vol. 1, p.108.
Kirchhoff, Gustav (1860), В«Ueber die Fraunhofer'schen LinienВ», Annalen der Physik 185 (1): 148-150, Bibcode:1860AnP...185..148K, doi:10.1002/andp.18601850115.
Kirchhoff, Gustav (1860), «Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht», Annalen der Physik 185 (2): 275-301, Bibcode:1860AnP...185..275K, doi:10.1002/andp.18601850205.
В«Gustav Robert KirchhoffВ». MacTutor History of Mathematics archive (en inglГ©s).
Cortie, A. L. (1921), «Sir Norman Lockyer, 1836 – 1920», The Astrophysical Journal 53: 233-248, Bibcode:1921ApJ....53..233C, doi:10.1086/142602.
Jensen, William B. (2004), В«Why Helium Ends in "-ium"В», Journal of Chemical Education 81 (7): 944-945, Bibcode:2004JChEd..81..944J, doi:10.1021/ed081p944.
Gaston Charlot, cours de chimie analytique gГ©nГ©rale - tome 2 : mГ©thodes Г©lectrochimiques et absorptiomГ©triques, chromatographie, Г‰ditions Masson, 1971
BibliografГ­a
John M. Chalmers; Peter Griffiths, eds. (2006). Handbook of Vibrational Spectroscopy. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-98847-2. doi:10.1002/0470027320.
Jerry Workman; Art Springsteen, eds. (1998). Applied Spectroscopy. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-08-052749-9.
Peter M. Skrabal (2012). Spectroscopy - An interdisciplinary integral description of spectroscopy from UV to NMR (e-book). ETH Zurich: vdf Hochschulverlag AG. ISBN 978-3-7281-3385-4. S2CID 244026324. doi:10.3218/3385-4.
Enlaces externos
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