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 , la espectroscopia atómica se aplica para la determinación de composiciones elementales. Puede dividirse por fuente de atomización o por el tipo de espectroscopia utilizada. En este último caso, la división principal es entre espectrometría óptica y espectrometría de masas . La espectrometría de masas generalmente brinda 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 del operador y una mayor cantidad de componentes que potencialmente pueden fallar. Debido a que la espectroscopia óptica a menudo es menos costosa y tiene un rendimiento adecuado para muchas tareas, es mucho más común. [ cita requerida ] 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 cuantizados, 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 orbital cuantizada específicos de su átomo. En espectroscopia óptica, la energía absorbida para mover un electrón a un nivel de energía más alto (orbital superior) 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 puede deducir de la medición de estos cambios en la longitud de onda de la luz 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 luz de la fuente tiene una 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 parte de la luz absorbida está dada por la ley de Beer-Lambert . En la 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 que aparecen a continuación indican los usos generales de varias fuentes. De ellas, las llamas son las más comunes debido a su bajo coste y su simplicidad. Aunque son mucho menos comunes, los plasmas acoplados inductivamente, especialmente cuando se utilizan con espectrómetros de masas, son reconocidos por su extraordinario rendimiento analítico y su versatilidad.
Para toda espectroscopia atómica, una muestra debe ser vaporizada y atomizada. Para la espectrometría de masas atómica, una muestra también debe ser ionizada. La vaporización, atomización e ionización se logran a menudo, pero no siempre, con una sola fuente. Alternativamente, se puede utilizar una fuente para vaporizar una muestra mientras que otra se utiliza para atomizar (y posiblemente ionizar). Un ejemplo de esto es la espectrometría de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente por ablación láser, donde se utiliza 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 son los más comúnmente utilizados 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 de átomos), plasma acoplado inductivamente (fuente de átomos e iones), horno de grafito (fuente de átomos), plasma de microondas (fuente de átomos e iones) y plasma de corriente continua (fuente de átomos e iones). Las fuentes de muestreo de sólidos incluyen láseres (fuente de átomos y vapor), descarga luminiscente (fuente de átomos e iones), arco (fuente de átomos e iones), chispas (fuente de átomos e iones) y horno de grafito (fuente de átomos y vapor). Las fuentes de muestreo de gases incluyen llamas (fuente de átomos), plasma acoplado inductivamente (fuente de átomos e iones), plasma de microondas (fuente de átomos e iones), plasma de corriente continua (fuente de átomos e iones) y descarga luminiscente (fuente de átomos e iones).
Para cualquier átomo dado, existen números cuánticos que pueden especificar la función de onda de ese átomo. Si tomamos como ejemplo el átomo de hidrógeno , se requieren cuatro números cuánticos para describir completamente el estado del sistema. Los números cuánticos son valores propios de los operadores que conmutan con la función de onda para describir los aspectos físicos del sistema y se denominan números “buenos” por ello. [1] Una vez que se han encontrado buenos números cuánticos para una transición atómica dada, las reglas de selección determinan qué cambios en los números cuánticos están permitidos.
La transición dipolar eléctrica (E1) de un átomo de hidrógeno se puede describir con los números cuánticos l (número cuántico del momento angular orbital), m l (número cuántico magnético), m s (número cuántico del espín del electrón) y n (número cuántico principal). Al evaluar el efecto del operador del momento dipolar eléctrico μ en 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 entero, la ecuación anterior arrojará un valor igual a cero y la transición se conocería como una “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 las reglas de selección para las transiciones permitidas y se muestran para las transiciones comunes en la siguiente tabla:
