Espectro de emisión

El espectro de emisión de un elemento químico o compuesto químico es el espectro de frecuencias de radiación electromagnética emitida debido a la transición de electrones de un estado de alta energía a uno de menor energía. La energía de los fotones emitidos es igual a la diferencia de energía entre ambos estados. Existen muchas transiciones electrónicas posibles para cada átomo, y cada transición tiene una diferencia de energía específica. Este conjunto de transiciones, que dan lugar a diferentes longitudes de onda radiadas , conforma un espectro de emisión. El espectro de emisión de cada elemento es único. Por lo tanto, la espectroscopia puede utilizarse para identificar elementos en materia de composición desconocida. De manera similar, los espectros de emisión de las moléculas pueden utilizarse en el análisis químico de sustancias.

En física , la emisión es el proceso mediante el cual un estado cuántico de mayor energía de una partícula se convierte en uno de menor energía a través de la emisión de un fotón, lo que da como resultado la producción de luz . La frecuencia de la luz emitida es función de la energía de la transición.

Dado que la energía debe conservarse, la diferencia de energía entre los dos estados es igual a la energía transportada por el fotón. Los estados energéticos de las transiciones pueden dar lugar a emisiones en un amplio rango de frecuencias. Por ejemplo, la luz visible se emite por el acoplamiento de estados electrónicos en átomos y moléculas (en cuyo caso el fenómeno se denomina fluorescencia o fosforescencia ). Por otro lado, las transiciones de capas nucleares pueden emitir rayos gamma de alta energía, mientras que las transiciones de espín nuclear emiten ondas de radio de baja energía .

La emitancia de un objeto cuantifica la cantidad de luz que emite. Esta puede relacionarse con otras propiedades del objeto mediante la ley de Stefan-Boltzmann . En la mayoría de las sustancias, la cantidad de emisión varía con la temperatura y la composición espectroscópica del objeto, lo que da lugar a la aparición de la temperatura de color y las líneas de emisión . Las mediciones precisas en múltiples longitudes de onda permiten identificar una sustancia mediante espectroscopia de emisión .

La emisión de radiación se describe típicamente mediante mecánica cuántica semiclasica: los niveles de energía y las distancias entre partículas se determinan a partir de la mecánica cuántica , y la luz se trata como un campo eléctrico oscilante que puede provocar una transición si está en resonancia con la frecuencia natural del sistema. El problema de la mecánica cuántica se aborda mediante la teoría de perturbaciones dependiente del tiempo y conduce al resultado general conocido como la regla de oro de Fermi . Esta descripción ha sido reemplazada por la electrodinámica cuántica , aunque la versión semiclasica sigue siendo más útil en la mayoría de los cálculos prácticos.

Cuando los electrones del átomo se excitan, por ejemplo, al calentarse, la energía adicional los impulsa hacia orbitales de mayor energía. Al regresar a su estado excitado, los electrones reemiten energía en forma de fotón. La longitud de onda (o, equivalentemente, la frecuencia) del fotón está determinada por la diferencia de energía entre los dos estados. Estos fotones emitidos forman el espectro del elemento.

El hecho de que solo ciertos colores aparezcan en el espectro de emisión atómica de un elemento significa que solo se emiten ciertas frecuencias de luz. Cada una de estas frecuencias está relacionada con la energía mediante la fórmula: $${\displaystyle E_{\text{photon}}=h\nu ,}$$ dónde${\displaystyle E_{\text{fotón}}}$es la energía del fotón,${\displaystyle \nu }$es su frecuencia y${\displaystyle h}$es la constante de Planck . Esto concluye que el átomo solo emite fotones con energías específicas. El principio del espectro de emisión atómica explica los diversos colores de los letreros de neón , así como los resultados de las pruebas químicas de llama (que se describen a continuación).

Las frecuencias de luz que puede emitir un átomo dependen de los estados en los que se encuentren los electrones. Al excitarse, un electrón se mueve a un nivel de energía u orbital superior. Cuando el electrón regresa a su estado fundamental, emite luz.

La imagen superior muestra el espectro de emisión de luz visible del hidrógeno . Si solo hubiera un átomo de hidrógeno, se observaría una única longitud de onda en un instante dado. Sin embargo, se observan varias emisiones posibles porque la muestra contiene muchos átomos de hidrógeno con diferentes estados de energía iniciales y finales. Estas diferentes combinaciones dan lugar a emisiones simultáneas en distintas longitudes de onda.

La luz consiste en radiación electromagnética de diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, cuando los elementos o sus compuestos se calientan, ya sea en una llama o mediante un arco eléctrico, emiten energía en forma de luz. El análisis de esta luz, con la ayuda de un espectroscopio , nos proporciona un espectro discontinuo. Un espectroscopio o espectrómetro es un instrumento que se utiliza para separar los componentes de la luz, que tienen diferentes longitudes de onda. El espectro aparece como una serie de líneas denominadas espectro de líneas. Este espectro de líneas se llama espectro atómico cuando proviene de un átomo en forma elemental. Cada elemento tiene un espectro atómico diferente. La producción de espectros de líneas por los átomos de un elemento indica que un átomo solo puede irradiar una cantidad determinada de energía. Esto lleva a la conclusión de que los electrones ligados no pueden tener cualquier cantidad de energía, sino solo una cantidad específica.

El espectro de emisión se puede utilizar para determinar la composición de un material, ya que es diferente para cada elemento de la tabla periódica . Un ejemplo es la espectroscopia astronómica : identificar la composición de las estrellas analizando la luz recibida. Las características del espectro de emisión de algunos elementos son claramente visibles a simple vista cuando estos elementos se calientan. Por ejemplo, cuando un alambre de platino se sumerge en una solución de nitrato de sodio y luego se introduce en una llama, los átomos de sodio emiten un color amarillo ámbar. De manera similar, cuando se introduce indio en una llama, esta se vuelve azul. Estas características definidas permiten identificar los elementos mediante su espectro de emisión atómica. No toda la luz emitida es perceptible a simple vista, ya que el espectro también incluye rayos ultravioleta y radiación infrarroja. Un espectro de emisión se forma cuando un gas excitado se observa directamente a través de un espectroscopio.

La espectroscopia de emisión es una técnica espectroscópica que examina las longitudes de onda de los fotones emitidos por átomos o moléculas durante su transición de un estado excitado a un estado de menor energía. Cada elemento emite un conjunto característico de longitudes de onda discretas según su estructura electrónica , y al observar estas longitudes de onda se puede determinar la composición elemental de la muestra. La espectroscopia de emisión se desarrolló a finales del siglo XIX, y los esfuerzos por explicar teóricamente los espectros de emisión atómica condujeron finalmente a la mecánica cuántica.

Existen muchas maneras de llevar los átomos a un estado excitado. La interacción con radiación electromagnética se utiliza en la espectroscopia de fluorescencia , los protones u otras partículas más pesadas en la emisión de rayos X inducida por partículas , y los electrones o fotones de rayos X en la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía o fluorescencia de rayos X. El método más sencillo consiste en calentar la muestra a alta temperatura, tras lo cual las excitaciones se producen por colisiones entre los átomos de la muestra. Este método se utiliza en la espectroscopia de emisión de llama , y ​​también fue el método empleado por Anders Jonas Ångström cuando descubrió el fenómeno de las líneas de emisión discretas en la década de 1850. ^{[ 1 ]}

Aunque las líneas de emisión se deben a una transición entre estados de energía cuantizados y pueden parecer muy nítidas a primera vista, tienen un ancho finito, es decir, están compuestas por más de una longitud de onda de luz. Este ensanchamiento de las líneas espectrales tiene diversas causas.

La espectroscopia de emisión se suele denominar espectroscopia de emisión óptica debido a la naturaleza luminosa de lo que se emite.

En 1756, Thomas Melvill observó la emisión de patrones de color distintos cuando se añadían sales a las llamas de alcohol . ^{[ 2 ]} En 1785, James Gregory descubrió los principios de la red de difracción y el astrónomo estadounidense David Rittenhouse construyó la primera red de difracción diseñada . ^{[ 3 ] [ 4 ]} En 1821 , Joseph von Fraunhofer consolidó este importante salto experimental al reemplazar un prisma como fuente de dispersión de longitud de onda , mejorando la resolución espectral y permitiendo cuantificar las longitudes de onda dispersas.

En 1835, Charles Wheatstone informó que diferentes metales podían distinguirse por líneas brillantes en los espectros de emisión de sus chispas , introduciendo así una alternativa a la espectroscopia de llama. ^{[ 5 ] [ 6 ]} En 1849, JBL Foucault demostró experimentalmente que las líneas de absorción y emisión en la misma longitud de onda se deben al mismo material, y la diferencia entre las dos se origina en la temperatura de la fuente de luz. ^{[ 7 ] [ 8 ]} En 1853, el físico sueco Anders Jonas Ångström presentó observaciones y teorías sobre los espectros de gases. ^{[ 9 ]} Ångström postuló que un gas incandescente emite rayos luminosos de la misma longitud de onda que los que puede absorber. Al mismo tiempo, George Stokes y William Thomson (Kelvin) discutían postulados similares. ^{[ 7 ]} Ångström también midió el espectro de emisión del hidrógeno, posteriormente denominado líneas de Balmer . ^{[ 10 ] [ 11 ]} En 1854 y 1855, David Alter publicó observaciones sobre los espectros de metales y gases, incluyendo una observación independiente de las líneas de Balmer del hidrógeno. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

En 1859, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen observaron que varias líneas de Fraunhofer (líneas del espectro solar) coincidían con líneas de emisión características identificadas en los espectros de elementos calentados. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Se dedujo correctamente que las líneas oscuras del espectro solar son causadas por la absorción de elementos químicos en la atmósfera solar . ^{[ 16 ]}

La solución que contiene la sustancia a analizar se introduce en el mechero y se dispersa en la llama en forma de fina pulverización. El disolvente se evapora primero, dejando partículas sólidas finamente divididas que se desplazan hacia la zona más caliente de la llama, donde se producen átomos e iones gaseosos mediante la disociación de moléculas. Allí, los electrones se excitan como se describió anteriormente y emiten fotones espontáneamente, que luego decaen a estados de menor energía. Es habitual utilizar un monocromador para facilitar la detección.

En un nivel básico, la espectroscopia de emisión de llama se puede observar utilizando solo una llama y muestras de sales metálicas. Este método de análisis cualitativo se denomina prueba de llama . Por ejemplo, las sales de sodio colocadas en la llama brillarán de color amarillo debido a los iones de sodio, mientras que los iones de estroncio (utilizados en bengalas de carretera) la colorearán de rojo. El alambre de cobre creará una llama de color verde, pero en presencia de cloruro produce una llama azul (contribución molecular del CuCl). ^{[ 17 ] [ 18 ]}

El coeficiente de emisión es un coeficiente de la potencia de salida por unidad de tiempo de una fuente electromagnética, un valor calculado en física . El coeficiente de emisión de un gas varía con la longitud de onda de la luz. Su unidad es ^{m⋅s⁻³⋅sr⁻¹ . [ 19 ]}

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