Estudio sobre materia y radiación electromagnética.
Un ejemplo de espectroscopia: un prisma analiza la luz blanca dispersándola en los colores que la componen.
La espectroscopia es el campo de estudio que mide e interpreta los espectros electromagnéticos . [1] [2] En contextos más estrechos, la espectroscopia es el estudio preciso del color generalizado desde la luz visible a todas las bandas del espectro electromagnético.
La espectroscopia, principalmente en el espectro electromagnético, es una herramienta exploratoria fundamental en los campos de la astronomía , la química , la ciencia de los materiales y la física , permitiendo investigar la composición, estructura física y estructura electrónica de la materia a escala atómica, molecular y macro. y a distancias astronómicas .
La espectroscopia es una rama de la ciencia que se ocupa de los espectros de la radiación electromagnética en función de su longitud de onda o frecuencia medida por equipos espectrográficos y otras técnicas, con el fin de obtener información sobre la estructura y propiedades de la materia. [4] Los dispositivos de medición espectral se denominan espectrómetros , espectrofotómetros , espectrógrafos o analizadores espectrales . La mayoría de los análisis espectroscópicos en el laboratorio comienzan con una muestra a analizar, luego se elige una fuente de luz de cualquier rango deseado del espectro de luz, luego la luz pasa a través de la muestra hasta una matriz de dispersión (instrumento de rejilla de difracción) y es capturada por un fotodiodo. . Para fines astronómicos, el telescopio debe estar equipado con un dispositivo de dispersión de luz. Hay varias versiones de esta configuración básica que pueden emplearse.
La espectroscopia comenzó con Isaac Newton dividiendo la luz con un prisma; un momento clave en el desarrollo de la óptica moderna . [5] Por lo tanto, originalmente fue el estudio de la luz visible a lo que llamamos color que posteriormente bajo los estudios de James Clerk Maxwell llegó a incluir todo el espectro electromagnético . [6] Aunque el color está involucrado en la espectroscopia, no se equipara con el color de elementos u objetos que involucran la absorción y reflexión de ciertas ondas electromagnéticas para darle a los objetos una sensación de color a nuestros ojos. Más bien, la espectroscopia implica la división de la luz mediante un prisma, una rejilla de difracción o un instrumento similar, para emitir un patrón de líneas discretas particular llamado "espectro" único para cada tipo diferente de elemento. La mayoría de los elementos se colocan primero en una fase gaseosa para permitir que se examinen los espectros, aunque hoy en día se pueden utilizar otros métodos en diferentes fases. Cada elemento que es difractado por un instrumento similar a un prisma muestra un espectro de absorción o un espectro de emisión dependiendo de si el elemento se está enfriando o calentando. [7]
Hasta hace poco, toda la espectroscopia implicaba el estudio de espectros lineales y la mayoría de la espectroscopia todavía lo hace. [8] La espectroscopia vibratoria es la rama de la espectroscopia que estudia los espectros. [9] Sin embargo, los últimos avances en espectroscopia a veces pueden prescindir de la técnica de dispersión. En la espectroscopia bioquímica, se puede recopilar información sobre el tejido biológico mediante técnicas de absorción y dispersión de luz. La espectroscopia de dispersión de luz es un tipo de espectroscopia de reflectancia que determina las estructuras de los tejidos examinando la dispersión elástica. [10] En tal caso, es el tejido el que actúa como mecanismo de difracción o dispersión.
Los estudios espectroscópicos fueron fundamentales para el desarrollo de la mecánica cuántica , porque los primeros modelos atómicos útiles describieron los espectros del hidrógeno, que incluyen el modelo de Bohr , la ecuación de Schrödinger y la mecánica matricial , todos los cuales pueden producir las líneas espectrales del hidrógeno , proporcionando así la base para saltos cuánticos discretos para igualar el espectro discreto del hidrógeno. Además, la explicación de Max Planck sobre la radiación del cuerpo negro involucraba espectroscopia porque comparaba la longitud de onda de la luz usando un fotómetro con la temperatura de un cuerpo negro . [11] La espectroscopia se utiliza en química física y analítica porque los átomos y las moléculas tienen espectros únicos. Como resultado, estos espectros se pueden utilizar para detectar, identificar y cuantificar información sobre átomos y moléculas. La espectroscopia también se utiliza en astronomía y teledetección en la Tierra. La mayoría de los telescopios de investigación tienen espectrógrafos. Los espectros medidos se utilizan para determinar la composición química y las propiedades físicas de los objetos astronómicos (como su temperatura , densidad de elementos en una estrella, velocidad , agujeros negros y más). [12] Un uso importante de la espectroscopia es en bioquímica. Se pueden analizar muestras moleculares para identificar especies y contenido energético. [13]
Teoría
La premisa subyacente 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 de la tabla periódica tiene un espectro de luz único descrito por las frecuencias de luz que emite o absorbe que aparecen constantemente en la misma parte del espectro electromagnético cuando esa luz se difracta. Esto abrió todo un campo de estudio con cualquier cosa que contenga átomos. La espectroscopia es la clave para comprender las propiedades atómicas de toda la materia. Como tal, la espectroscopia abrió muchos subcampos nuevos de la ciencia aún por descubrir. La idea de que cada elemento atómico tiene su firma espectral única permitió utilizar la espectroscopia en una amplia cantidad de campos, cada uno con un objetivo específico logrado mediante diferentes procedimientos espectroscópicos. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología mantiene una base de datos pública de espectros atómicos que se actualiza continuamente con mediciones precisas. [14]
La ampliación del campo de la espectroscopia se debe a que cualquier parte del espectro electromagnético puede usarse para analizar una muestra desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, indicando a los científicos diferentes propiedades de una 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 . [15] En la resonancia magnética nuclear (RMN), la teoría detrás de ella es que la frecuencia es análoga a la resonancia y su correspondiente frecuencia resonante. Las resonancias por frecuencia se caracterizaron por primera vez en sistemas mecánicos como los péndulos , que tienen una frecuencia de movimiento famosa por Galileo . [16]
Clasificación de métodos
Una enorme rejilla de difracción en el corazón del espectrógrafo ultrapreciso ESPRESSO . [17]
La espectroscopia es un campo lo suficientemente amplio como para que existan muchas subdisciplinas, cada una con numerosas implementaciones de técnicas espectroscópicas específicas. Las diversas implementaciones y técnicas se pueden clasificar de varias maneras.
Tipo de energía radiativa
Los tipos de espectroscopia se distinguen por el tipo de energía radiativa involucrada en la interacción. En muchas aplicaciones, el espectro se determina midiendo cambios en la intensidad o frecuencia de esta energía. Los tipos de energía radiativa estudiados incluyen:
Las partículas, debido a sus ondas de Broglie , también pueden ser una fuente de energía radiativa. Se utilizan habitualmente tanto la espectroscopia de electrones como la de neutrones. Para una partícula, su energía cinética determina su longitud de onda.
El análisis mecánico dinámico se puede emplear para impartir energía radiante, similar a las ondas acústicas, a materiales sólidos.
Naturaleza de la interacción
Los tipos de espectroscopia también se pueden distinguir por la naturaleza de la interacción entre la energía y el material. Estas interacciones incluyen: [2]
Espectroscopia de absorción : la absorción ocurre cuando el material absorbe la energía de la fuente radiativa. La absorción a menudo se determina midiendo la fracción de energía transmitida a través del material, y la absorción disminuye la porción transmitida.
Espectroscopia de emisión : La emisión indica que el material libera energía radiativa. El espectro de cuerpo negro de un material es un espectro de emisión espontánea determinado por su temperatura. Esta característica se puede medir en el infrarrojo mediante instrumentos como el interferómetro de radiación emitida por la atmósfera. [18] La emisión también puede ser inducida por otras fuentes de energía como llamas , chispas , arcos eléctricos o radiaciones electromagnéticas en el caso de la fluorescencia .
La espectroscopia de dispersión elástica y de reflexión determina cómo un material refleja o dispersa la radiación incidente. La cristalografía emplea la dispersión de radiación de alta energía, como rayos X y electrones, para examinar la disposición de los átomos en proteínas y cristales sólidos.
Los fenómenos de dispersión inelástica implican un intercambio de energía entre la radiación y la materia que desplaza la longitud de onda de la radiación dispersada. Estos incluyen la dispersión Raman y Compton .
La espectroscopia coherente o de resonancia son técnicas en las que la energía radiativa acopla dos estados cuánticos del material en una interacción coherente que se sustenta en el campo radiante. La coherencia puede verse alterada por otras interacciones, como colisiones de partículas y transferencia de energía, por lo que a menudo requiere radiación de alta intensidad para mantenerse. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es un método de resonancia ampliamente utilizado, y la espectroscopia láser ultrarrápida también es posible en las regiones espectrales infrarrojas y visibles.
La espectroscopia de lógica cuántica es una técnica general utilizada en trampas de iones que permite la espectroscopia de precisión de iones con estructuras internas que impiden el enfriamiento , la manipulación del estado y la detección del láser. Las operaciones de lógica cuántica permiten que un ion controlable intercambie información con un ion atrapado conjuntamente que tiene una estructura electrónica compleja o desconocida.
tipo de material
Los estudios espectroscópicos están diseñados para que la energía radiante interactúe con tipos específicos de materia.
átomos
Tabla de comparación de espectros atómicos, de "Spektroskopische Methoden der analytischen Chemie" (1922).
La espectroscopia atómica fue la primera aplicación de la espectroscopia. La espectroscopia de absorción atómica y la espectroscopia de emisión atómica implican luz visible y ultravioleta. Estas absorciones y emisiones, a menudo denominadas líneas espectrales atómicas, se deben a transiciones electrónicas de los electrones de la capa exterior a medida que suben y bajan de una órbita electrónica a otra. Los átomos también tienen espectros de rayos X distintos que son atribuibles a la excitación de los electrones de la capa interna a estados excitados.
Los átomos de diferentes elementos tienen espectros distintos y, por lo tanto, la espectroscopia atómica permite la identificación y cuantificación de la composición elemental de una muestra. Después de inventar el espectroscopio, Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubrieron nuevos elementos observando sus espectros de emisión. Las líneas de absorción atómica se observan en el espectro solar y se denominan líneas de Fraunhofer en honor a su descubridor. Una explicación completa del espectro del hidrógeno fue uno de los primeros éxitos de la mecánica cuántica y explicó el desplazamiento de Lamb observado en el espectro del hidrógeno, lo que condujo al desarrollo de la electrodinámica cuántica .
La combinación de átomos en moléculas conduce a la creación de tipos únicos de estados energéticos y, por lo tanto, espectros únicos de transiciones entre estos estados. Los espectros moleculares se pueden obtener debido a los estados de espín de los electrones ( resonancia paramagnética de los electrones ), rotaciones moleculares , vibraciones moleculares y estados electrónicos. Las rotaciones son movimientos colectivos de los núcleos atómicos y normalmente conducen a espectros en las regiones espectrales de microondas y ondas milimétricas. La espectroscopia rotacional y la espectroscopia de microondas son sinónimos. Las vibraciones son movimientos relativos de los núcleos atómicos y se estudian tanto mediante espectroscopia infrarroja como Raman . Las excitaciones electrónicas se estudian mediante espectroscopia visible y ultravioleta, así como espectroscopia de fluorescencia . [2] [19] [20] [21] [22]
Los estudios de espectroscopia molecular condujeron al desarrollo del primer máser y contribuyeron al desarrollo posterior del láser .
Cristales y materiales extendidos.
La combinación de átomos o moléculas en cristales u otras formas extendidas conduce a la creación de estados energéticos adicionales. Estos estados son numerosos y por lo tanto tienen una alta densidad de estados. Esta alta densidad a menudo hace que los espectros sean más débiles y menos distintos, es decir, más amplios. Por ejemplo, la radiación del cuerpo negro se debe a los movimientos térmicos de átomos y moléculas dentro de un material. Las respuestas acústicas y mecánicas también se deben a movimientos colectivos. Sin embargo, los cristales puros pueden tener transiciones espectrales distintas y la disposición de los cristales también tiene un efecto en los espectros moleculares observados. La estructura reticular regular de los cristales también dispersa rayos X, electrones o neutrones, lo que permite estudios cristalográficos.
Núcleos
Los núcleos también tienen distintos estados de energía que están muy separados y dan lugar a espectros de rayos gamma . Los distintos estados de espín nuclear pueden tener su energía separada por un campo magnético, y esto permite la espectroscopia de resonancia magnética nuclear .
Otros tipos
Otros tipos de espectroscopia se distinguen por aplicaciones o implementaciones específicas:
La espectroscopia de electrones Auger es un método utilizado para estudiar superficies de materiales a microescala. A menudo se utiliza en relación con la microscopía electrónica.
La espectroscopía fenomenológica electrónica mide las propiedades y características fisicoquímicas de la estructura electrónica de sistemas moleculares complejos y multicomponentes.
La espectroscopia de hadrones estudia el espectro de energía/masa de los hadrones según el espín , la paridad y otras propiedades de las partículas. La espectroscopia bariónica y la espectroscopia mesónica son tipos de espectroscopia hadrónica.
Las imágenes multiespectrales y las imágenes hiperespectrales son un método para crear una imagen completa del entorno o de varios objetos, cada píxel contiene un espectro completo visible, infrarrojo cercano visible, infrarrojo cercano o infrarrojo.
La espectroscopia de túneles de electrones inelásticos utiliza los cambios en la corriente debido a la interacción inelástica de la vibración del electrón en energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidas.
La espectroscopia láser utiliza láseres sintonizables [24] y otros tipos de fuentes de emisión coherentes, como osciladores ópticos paramétricos, [25] para la excitación selectiva de especies atómicas o moleculares.
La espectroscopia de masas es un término histórico utilizado para referirse a la espectrometría de masas . La recomendación actual es utilizar este último término. [27] El término "espectroscopia de masas" se originó en el uso de pantallas de fósforo para detectar iones.
La computación óptica multivariada es una técnica de detección totalmente óptica comprimida , generalmente utilizada en entornos hostiles, que calcula directamente información química a partir de un espectro como salida analógica.
La espectroscopia de actividad óptica Raman aprovecha los efectos de la actividad óptica y la dispersión Raman para revelar información detallada sobre los centros quirales de las moléculas.
La espectroscopia infrarroja térmica mide la radiación térmica emitida por materiales y superficies y se utiliza para determinar el tipo de enlaces presentes en una muestra, así como su entorno reticular. Las técnicas son ampliamente utilizadas por químicos orgánicos, mineralogistas y científicos planetarios .
La espectroscopia de rejilla transitoria mide la propagación de cuasipartículas. Puede rastrear los cambios en los materiales metálicos a medida que se irradian.
Existen varias aplicaciones de la espectroscopia en los campos de la medicina, la física, la química y la astronomía. Aprovechando las propiedades de la absorbancia y con la emisión astronómica, la espectroscopia se puede utilizar para identificar ciertos estados de la naturaleza. Los usos de la espectroscopia en tantos campos diferentes y para tantas aplicaciones diferentes han dado lugar a subcampos científicos especializados. Tales ejemplos incluyen:
Determinación de la estructura atómica de una muestra [32]
Estudio de las líneas de emisión espectral del Sol y galaxias distantes [33]
Determinar la estructura metabólica de un músculo.
Monitoreo del contenido de oxígeno disuelto en ecosistemas marinos y de agua dulce
Alteración de la estructura de los medicamentos para mejorar la eficacia.
Caracterización de proteínas.
Análisis de gases respiratorios en hospitales [7]
Encontrar las propiedades físicas de una estrella distante o un exoplaneta cercano mediante el efecto Doppler relativista . [35]
Sexado in ovo : la espectroscopia permite determinar el sexo del huevo mientras está eclosionando. Desarrollado por empresas francesas y alemanas, ambos países decidieron prohibir el sacrificio de polluelos , realizado principalmente mediante macerador, en 2022. [36]
La historia de la espectroscopia comenzó con los experimentos ópticos de Isaac Newton (1666-1672). Según Andrew Fraknoi y David Morrison , "En 1672, en el primer artículo que presentó a la Royal Society , Isaac Newton describió un experimento en el que permitía que la luz del sol pasara a través de un pequeño agujero y luego a través de un prisma. Newton descubrió que la luz del sol , que a nosotros nos parece blanco, en realidad está formado por una mezcla de todos los colores del arco iris." [38] Newton aplicó la palabra "espectro" para describir el arco iris de colores que se combinan para formar luz blanca y que se revelan cuando la luz blanca pasa a través de un prisma.
Fraknoi y Morrison afirman que "En 1802, William Hyde Wollaston construyó un espectrómetro mejorado que incluía una lente para enfocar el espectro del Sol en una pantalla. Al usarlo, Wollaston se dio cuenta de que los colores no se distribuían uniformemente, sino que faltaban parches de colores. que aparecieron como bandas oscuras en el espectro". [38] A principios del siglo XIX, Joseph von Fraunhofer realizó avances experimentales con espectrómetros dispersivos que permitieron que la espectroscopia se convirtiera en una técnica científica más precisa y cuantitativa. Desde entonces, la espectroscopia ha desempeñado y sigue desempeñando un papel importante en la química, la física y la astronomía. Según Fraknoi y Morrison, "Más tarde, en 1815, el físico alemán Joseph Fraunhofer también examinó el espectro solar y encontró alrededor de 600 líneas oscuras (colores faltantes), que ahora se conocen como líneas de Fraunhofer o líneas de absorción". [38] [ se necesita una mejor fuente ]
En los sistemas de mecánica cuántica, la resonancia análoga es un acoplamiento de dos estados estacionarios de mecánica cuántica de un sistema, como un átomo , a través de una fuente oscilatoria de energía como un fotón . El acoplamiento de los dos estados es más fuerte cuando la energía de la fuente coincide con la diferencia de energía entre los dos estados. La energía E de un fotón está relacionada con su frecuencia ν mediante E = hν donde h es la constante de Planck , por lo que un espectro de la respuesta del sistema frente a la frecuencia del fotón alcanzará su máximo en la frecuencia o energía resonante. Partículas como los electrones y los neutrones tienen una relación comparable, las relaciones de De Broglie , entre su energía cinética y su longitud de onda y frecuencia y, por lo tanto, también pueden provocar interacciones resonantes.
Los espectros de átomos y moléculas a menudo consisten en una serie de líneas espectrales, cada una de las cuales representa una resonancia entre dos estados cuánticos diferentes. La explicación de estas series, y los patrones espectrales asociados a ellas, fue uno de los enigmas experimentales que impulsó el desarrollo y la aceptación de la mecánica cuántica. En particular, la serie espectral del hidrógeno fue explicada con éxito por primera vez mediante el modelo cuántico del átomo de hidrógeno de Rutherford-Bohr . En algunos casos, las líneas espectrales están bien separadas y son distinguibles, pero las líneas espectrales también pueden superponerse y parecer una transición única si la densidad de estados de energía es lo suficientemente alta. Las series de líneas con nombre incluyen las series principal , aguda , difusa y fundamental .
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