Introducción: La espectroscopia es el estudio de la interacción entre energía y materia en función de la longitud de onda. Diferentes elementos químicos tienen diferentes características de líneas de emisión, por lo que la composición química de objetos desconocidos se puede inferir analizando las líneas espectrales. La energía de un fotón está relacionada con su longitud de onda, por lo que la espectroscopia puede usarse para identificar cualquier elemento o compuesto químico.
La espectroscopia es el estudio de la interacción entre energía y materia en función de la longitud de onda. Diferentes elementos químicos tienen diferentes características de líneas de emisión, por lo que la composición química de objetos desconocidos se puede inferir analizando las líneas espectrales. La energía de un fotón está relacionada con su longitud de onda, por lo que la espectroscopia puede usarse para identificar cualquier elemento o compuesto químico.
Antes de entender qué es la espectroscopia, primero echemos un vistazo a qué es la luz. La luz es un tipo de onda electromagnética (EM).
Espectro Electromagnético
Para este artículo sólo debemos centrarnos en la luz visible.
Demostración animada de la luz que pasa a través de un prisma
Ya en el siglo 40 d.C., Séneca descubrió el fenómeno de dispersión de la luz que atraviesa un prisma. Sin embargo, no fue hasta que Newton propuso el concepto de que la luz se compone de diferentes colores en 1666 que empezó a circular ampliamente. En 1802, el químico británico William Hyde Wollaston observó líneas oscuras (líneas de absorción) en el espectro a través de un prisma de vidrio. Más tarde, en 1814, el físico alemán Joseph von Fraunhofer redescubrió de forma independiente estas líneas espectrales y comenzó a estudiar sistemáticamente las características de estas longitudes de onda. En total, dibujó más de 570 líneas, de la A a la K, con las líneas más débiles designadas por otras letras.
Líneas de absorción de hidrógeno en el espectro visible.
Si observas el espectro solar a través de un prisma, es posible que puedas observar la imagen de arriba. Se denominan líneas de Fraunhofer o líneas de absorción.
En 1859, Gustav Robert Kirchhoff y Robert Bunsen señalaron que la radiación de cada elemento químico tenía una "firma" única al observar los espectros formados cuando los elementos se quemaban, y concluyeron que había líneas oscuras en el sol. espectro son causados por la absorción de elementos en las capas superiores del sol. Algo más es absorbido por las moléculas de oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Por ejemplo, si utilizamos un espectrómetro para observar la combustión del hidrógeno, podemos observar un conjunto diferente de radiación.
Radiación de hidrógeno
Comparando estas dos figuras, podemos ver fácilmente que estas dos líneas coinciden. Mientras realizaban experimentos, Kirchhoff y Bunsen observaron el espectro del sol a su paso a través de gas a alta temperatura (de un mechero Bunsen) y compararon los espectros emitidos por diferentes elementos. Fue durante este proceso que se inventó el mechero Bunsen.
Experimento Kirchhoff-Bunsen
En total, hay más de 1000 líneas de Fraunhofer observables en el espectro solar, porque cada elemento tiene sus propias características, y podemos inferir la composición química de el sol o cualquier objeto desconocido analizando las líneas espectrales.
Entonces, ¿qué causa este fenómeno?
Niveles de energía de los electrones
Los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva, los electrones tienen carga negativa y los neutrones no tienen carga (eléctricamente neutros). El físico danés Niels Bohr ideó un modelo atómico que ayudó a explicar las líneas de absorción y emisión. En su modelo, los protones y neutrones estaban en el núcleo y los electrones orbitaban alrededor del núcleo. Un punto importante a tener en cuenta es que en este modelo, a los electrones solo se les permite orbitar a una cierta distancia del núcleo, al igual que a los planetas solo se les permite orbitar a una cierta distancia del sol. Cuanto más lejos del núcleo, más energía se requiere. Cada "distancia" se llama nivel de energía. Los electrones pueden moverse entre diferentes niveles de energía, pero requiere un intercambio de energía. Cuando hablamos de la energía de un fotón, también podemos hablar de la longitud de onda porque las dos están relacionadas. La energía requerida está determinada por la diferencia de energía entre los dos niveles de energía, y los diferentes niveles de energía y los diferentes niveles de energía de diferentes elementos son diferentes. La combinación de elementos en moléculas también cambia las necesidades de energía.
Fórmula de la energía del fotón:
h en la fórmula es la constante de Planck (6.624 10^(-34) J·s, la frecuencia f es función de la longitud de onda λ.
p>
Fórmula de frecuencia:
C es la velocidad de la luz (3x108 ms-1), λ es la longitud de onda, la unidad es Hertz
Un electrón quiere para pasar a un nivel de energía superior, debe ganar energía. Una forma es absorber un fotón con la energía adecuada. Cuando un electrón absorbe un fotón, la longitud de onda correspondiente parece desaparecer del espectro porque ha sido absorbido. cuando el electrón se mueve a un nivel de energía inferior, libera la misma cantidad de energía, lo que produce una línea de emisión. El nivel de energía generalmente se denota como n, siendo el primer nivel de energía n = 2 (para el núcleo, n). = 1). n = 3 requiere energía para ser absorbida, y pasar de n = 3 a n = 2 libera energía. Volviendo a nuestro átomo de hidrógeno, cuando obtiene energía de un fotón en el sol, un electrón salta de n =. 2 a n = 3. Se forma una línea de absorción. Cuando calentamos hidrógeno en el quemador, en realidad activamos el electrón con energía, y luego libera energía nuevamente cuando el electrón regresa a n = 2. El electrón puede saltar de n = 3. 2 a n. = 3, o saltar a n = 4, 5, etc. La siguiente tabla resume la energía necesaria para el hidrógeno. Esto también se conoce como serie de Balmer.
Cada elemento diferente la tiene. Su propio nivel de energía único, que cambia cuando el átomo de un elemento se combina en una molécula. Debido a esto, podemos usar la espectroscopia para identificar casi cualquier elemento o compuesto.
POR: Tim Trott
FY: Margaret
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