En física , la espectroscopia atómica es el estudio de la radiación electromagnética absorbida y emitida por los átomos . Dado que los elementos únicos tienen espectros de emisión únicos , se aplica la espectroscopia atómica para determinar las composiciones elementales. Se puede dividir por fuente de atomización o por el tipo de espectroscopia utilizada. En este último caso, la principal división es entre espectrometría óptica y de masas . La espectrometría de masas generalmente ofrece un rendimiento analítico significativamente mejor, pero también es significativamente más compleja. Esta complejidad se traduce en mayores costos de compra, mayores costos operativos, más capacitación de los operadores y una mayor cantidad de componentes que potencialmente pueden fallar. Debido a que la espectroscopia óptica suele ser menos costosa y tiene un rendimiento adecuado para muchas tareas, es mucho más común. [ cita necesaria ] Los espectrómetros de absorción atómica son uno de los dispositivos analíticos más vendidos y utilizados.
Los electrones existen en niveles de energía (es decir, orbitales atómicos ) dentro de un átomo. Los orbitales atómicos están cuantificados, lo que significa que existen como valores definidos en lugar de ser continuos (ver: orbitales atómicos ). Los electrones pueden moverse entre orbitales, pero al hacerlo deben absorber o emitir energía igual a la diferencia de energía entre los niveles de energía orbitales cuantificados específicos de su átomo. En espectroscopia óptica, la energía absorbida para mover un electrón a un nivel de energía más alto (orbital más alto) y/o la energía emitida cuando el electrón se mueve a un nivel de energía más bajo se absorbe o emite en forma de fotones (partículas de luz). Debido a que cada elemento tiene un número único de electrones, un átomo absorberá/liberará energía en un patrón único para su identidad elemental (por ejemplo, Ca, Na, etc.) y, por lo tanto, absorberá/emitirá fotones en un patrón correspondientemente único. El tipo de átomos presentes en una muestra o la cantidad de átomos presentes en una muestra se pueden deducir midiendo estos cambios en la longitud de onda y la intensidad de la luz.
La espectroscopia atómica se divide a su vez en espectroscopia de absorción atómica y espectroscopia de emisión atómica . En la espectroscopia de absorción atómica, la luz de una longitud de onda predeterminada pasa a través de un conjunto de átomos. Si la longitud de onda de la fuente de luz tiene energía correspondiente a la diferencia de energía entre dos niveles de energía en los átomos, una parte de la luz será absorbida. La diferencia entre la intensidad de la luz emitida por la fuente (por ejemplo, una lámpara) y la luz recogida por el detector produce un valor de absorbancia. Este valor de absorbancia se puede utilizar para determinar la concentración de un elemento (o átomos) determinado dentro de la muestra. La relación entre la concentración de átomos, la distancia que recorre la luz a través del conjunto de átomos y la porción de luz absorbida viene dada por la ley de Beer-Lambert . En espectroscopia de emisión atómica , la intensidad de la luz emitida es directamente proporcional a la concentración de átomos.
Las fuentes se pueden adaptar de muchas maneras, pero las listas a continuación brindan los usos generales de varias fuentes. De ellas, las llamas son las más habituales por su bajo coste y su sencillez. Aunque son mucho menos comunes, los plasmas acoplados inductivamente, especialmente cuando se utilizan con espectrómetros de masas, son reconocidos por su excelente rendimiento analítico y su versatilidad.
Para toda espectroscopía atómica, se debe vaporizar y atomizar una muestra. Para la espectrometría de masas atómicas, también se debe ionizar una muestra. La vaporización, la atomización y la ionización a menudo, pero no siempre, se logran con una sola fuente. Alternativamente, se puede usar una fuente para vaporizar una muestra mientras que otra se usa para atomizar (y posiblemente ionizar). Un ejemplo de esto es la espectrometría de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente por ablación láser, donde se usa un láser para vaporizar una muestra sólida y un plasma acoplado inductivamente para atomizar el vapor.
Con excepción de las llamas y los hornos de grafito, que se utilizan con mayor frecuencia para la espectroscopia de absorción atómica, la mayoría de las fuentes se utilizan para la espectroscopia de emisión atómica.
Las fuentes de muestreo de líquidos incluyen llamas y chispas (fuente atómica), plasma acoplado inductivamente (fuente atómica y de iones), horno de grafito (fuente atómica), plasma de microondas (fuente atómica y de iones) y plasma de corriente continua (fuente atómica y de iones). ). Las fuentes de muestreo de sólidos incluyen láseres (fuente de átomos y vapor), descarga luminosa (fuente de átomos y iones), arco (fuente de átomos y iones), chispa (fuente de átomos y iones) y horno de grafito (fuente de átomos y vapor). Las fuentes de muestreo de gas incluyen llama (fuente de átomos), plasma acoplado inductivamente (fuente de átomos y iones), plasma de microondas (fuente de átomos y iones), plasma de corriente continua (fuente de átomos y iones) y descarga luminosa (fuente de átomos y iones). ).
Para cualquier átomo dado, existen números cuánticos que pueden especificar la función de onda de ese átomo. Utilizando el átomo de hidrógeno como ejemplo, se necesitan cuatro números cuánticos para describir completamente el estado del sistema. Números cuánticos que son valores propios de los operadores que conmutan con la función de onda para describir aspectos físicos del sistema, y por eso se denominan números "buenos". [1] Una vez que se han encontrado buenos números cuánticos para una transición atómica determinada, las reglas de selección determinan qué cambios en los números cuánticos están permitidos.
La transición del dipolo eléctrico (E1) de un átomo de hidrógeno se puede describir con los números cuánticos l (número cuántico de momento angular orbital), m l (número cuántico magnético), m s (número cuántico de espín electrónico) y n (número cuántico principal). ). Al evaluar el efecto del operador del momento dipolar eléctrico μ sobre la función de onda del sistema, vemos que todos los valores del valor propio son 0, excepto cuando los cambios en los números cuánticos siguen un patrón específico.
Por ejemplo, en la transición E1, a menos que Δ l = ± 1, Δ m l = 0 o ± 1, Δ m s = 0 y Δ n = cualquier número entero, la ecuación anterior producirá un valor igual a cero y la transición denominarse “transición prohibida”. Por ejemplo, esto ocurriría en ciertos casos, como cuando Δ l = 2. En este caso, la transición no estaría permitida y, por lo tanto, sería mucho más débil que una transición permitida. Estos valores específicos para los cambios en los números cuánticos se conocen como reglas de selección para las transiciones permitidas y se muestran para transiciones comunes en la siguiente tabla:
