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Espectroscopia

Un ejemplo de espectroscopia: un prisma analiza la luz blanca dispersándola en sus colores componentes.

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 , que permite investigar la composición, la estructura física y la estructura electrónica de la materia a escala atómica, molecular y macro, y a distancias astronómicas .

Históricamente, la espectroscopia se originó como el estudio de la dependencia de la longitud de onda de la absorción por materia en fase gaseosa de la luz visible dispersada por un prisma . Las aplicaciones actuales de la espectroscopia incluyen la espectroscopia biomédica en las áreas de análisis de tejidos e imágenes médicas . Las ondas de materia y las ondas acústicas también pueden considerarse formas de energía radiativa, y recientemente las ondas gravitacionales se han asociado con una firma espectral en el contexto del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO). [3]

Introducción

La espectroscopia es una rama de la ciencia que estudia los espectros de la radiación electromagnética en función de su longitud de onda o frecuencia medida mediante equipos espectrográficos y otras técnicas, con el fin de obtener información sobre la estructura y las 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 para 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 a una matriz de dispersión (instrumento de rejilla de difracción) y es capturada por un fotodiodo . Para fines astronómicos, el telescopio debe estar equipado con el dispositivo de dispersión de luz. Hay varias versiones de esta configuración básica que se pueden emplear.

La espectroscopia comenzó con la división de la luz por parte de Isaac Newton con un prisma, un momento clave en el desarrollo de la óptica moderna . [5] Por lo tanto, originalmente el estudio de la luz visible era lo que llamamos color , que más tarde, 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 los elementos u objetos que involucran la absorción y reflexión de ciertas ondas electromagnéticas para dar 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 línea discreto particular llamado "espectro" único para cada tipo diferente de elemento. La mayoría de los elementos se ponen 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 se difracta mediante 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 de líneas y la mayor parte de la espectroscopia todavía lo hace. [8] La espectroscopia vibracional 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 obtener 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 mediante el examen de 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 que coincidan con el espectro discreto del hidrógeno. Además, la explicación de Max Planck de la radiación del cuerpo negro involucró la espectroscopia porque estaba comparando 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 los átomos y las 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 , la densidad de elementos en una estrella, la velocidad , los agujeros negros y más). [12] Un uso importante de la espectroscopia es en bioquímica. Las muestras moleculares pueden analizarse para la identificación de especies y el contenido energético. [13]

Teoría

La premisa subyacente de la espectroscopia es que la luz está compuesta de 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 para todo lo que contiene átomos. La espectroscopia es la clave para comprender las propiedades atómicas de toda la materia. Como tal, la espectroscopia abrió muchos nuevos subcampos de la ciencia aún por descubrir. La idea de que cada elemento atómico tiene su firma espectral única permitió que la espectroscopia se utilizara en una amplia variedad de campos, cada uno con un objetivo específico logrado por 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 al hecho de que cualquier parte del espectro electromagnético puede utilizarse para analizar una muestra, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, lo que permite a los científicos conocer diferentes propiedades de 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 . [15] En la resonancia magnética nuclear (RMN), la teoría que la sustenta es que la frecuencia es análoga a la resonancia y su frecuencia resonante correspondiente. Las resonancias por la frecuencia se caracterizaron por primera vez en sistemas mecánicos como los péndulos , que tienen una frecuencia de movimiento que Galileo señaló célebremente . [16]

Clasificación de métodos

Una enorme rejilla de difracción en el corazón del espectrógrafo ultrapreciso ESPRESSO . [17]

La espectroscopia es un campo tan amplio que existen 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 que interviene en la interacción. En muchas aplicaciones, el espectro se determina midiendo los cambios en la intensidad o frecuencia de esta energía. Los tipos de energía radiativa que se estudian incluyen:

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]

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 involucran luz visible y ultravioleta. Estas absorciones y emisiones, a menudo denominadas líneas espectrales atómicas, se deben a las transiciones electrónicas de los electrones de la capa externa a medida que suben y bajan de una órbita electrónica a otra. Los átomos también tienen espectros de rayos X distintivos 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 las conoce como líneas de Fraunhofer en honor a su descubridor. Una explicación completa del espectro del hidrógeno fue un éxito temprano 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 .

Las implementaciones modernas de la espectroscopia atómica para estudiar las transiciones visibles y ultravioleta incluyen la espectroscopia de emisión de llama , la espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente , la espectroscopia de descarga luminiscente , la espectroscopia de plasma inducido por microondas y la espectroscopia de emisión por chispa o arco. Las técnicas para estudiar los espectros de rayos X incluyen la espectroscopia de rayos X y la fluorescencia de rayos X.

Moléculas

La combinación de átomos en moléculas conduce a la creación de tipos únicos de estados energéticos y, por lo tanto, espectros únicos de las transiciones entre estos estados. Los espectros moleculares se pueden obtener debido a los estados de espín electrónico ( resonancia paramagnética electrónica ), rotaciones moleculares , vibración molecular y estados electrónicos. Las rotaciones son movimientos colectivos de los núcleos atómicos y generalmente 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 utilizando espectroscopia visible y ultravioleta, así como espectroscopia de fluorescencia . [2] [19] [20] [21] [22]

Los estudios en 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 nítidos, es decir, más amplios. Por ejemplo, la radiación de cuerpo negro se debe a los movimientos térmicos de los átomos y las moléculas dentro de un material. Las respuestas acústicas y mecánicas también se deben a los 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 realizar estudios cristalográficos.

Núcleos

Los núcleos también tienen estados de energía distintos 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:

Aplicaciones

UVES es un espectrógrafo de alta resolución instalado en el Very Large Telescope . [31]

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 la emisión en astronomía, 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. Entre estos ejemplos se incluyen:

Historia

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 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 compuesta 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 de manera uniforme, sino que tenían parches de colores faltantes, que aparecían 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 de esas 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 mecánicos cuánticos, la resonancia análoga es un acoplamiento de dos estados estacionarios mecánicos cuánticos 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 por E = hν donde h es la constante de Planck , y por lo tanto un espectro de la respuesta del sistema frente a la frecuencia del fotón alcanzará su pico en la frecuencia o energía resonante. Las 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 excitar interacciones resonantes.

Los espectros de átomos y moléculas suelen constar de 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, fueron uno de los enigmas experimentales que impulsaron el desarrollo y la aceptación de la mecánica cuántica. La serie espectral del hidrógeno, en particular, se explicó con éxito por primera vez mediante el modelo cuántico de Rutherford-Bohr del átomo de hidrógeno. En algunos casos, las líneas espectrales están bien separadas y son distinguibles, pero también pueden superponerse y parecer una única transición si la densidad de estados de energía es lo suficientemente alta. Las series de líneas con nombre incluyen la serie principal , la aguda , la difusa y la fundamental .

Véase también

Notas

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Referencias

Enlaces externos

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