Introducción al Estudio de Espectros

Al calentar un cuerpo, este emite radiaciones que pueden analizarse. La luz blanca, al pasar por un prisma, produce un espectro continuo donde los colores se distribuyen sin interrupción, como descubrió Newton en 1666.

Existen diferentes tipos de espectros según la fuente: una bombilla incandescente (filamento sólido caliente) produce un espectro continuo, mientras que una bombilla fluorescente (gas caliente) genera líneas espectrales individuales, lo que conocemos como espectro de emisión.

💡 ¡Dato interesante! Cada elemento químico produce un conjunto único de líneas espectrales, como una "huella dactilar" que permite identificarlo.

Estos fenómenos nos permiten entender la composición de la materia a nivel atómico y han revolucionado nuestra comprensión del universo, permitiéndonos analizar la composición de estrellas a millones de años luz.

Definición de Espectro y Espectro Continuo

En física, un espectro es la distribución de la intensidad de una radiación según una magnitud específica, como la energía o longitud de onda. También se refiere a la representación gráfica de esta distribución.

Cuando hacemos pasar luz a través de un prisma, ocurre el fenómeno conocido como dispersión, que separa las distintas longitudes de onda que componen el rayo de luz. La luz blanca produce un espectro continuo, donde vemos todos los colores del arcoíris fusionados suavemente.

El espectro continuo contiene el conjunto completo de colores que corresponden a todas las longitudes de onda presentes en la luz original. Este fenómeno es el mismo que observamos en un arcoíris natural, donde las gotas de agua actúan como pequeños prismas.

🌈 El orden de los colores en un espectro continuo siempre es el mismo: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta, del menor al mayor nivel de energía.

Espectro de Emisión

El espectro de emisión es el conjunto de longitudes de onda emitidas por un átomo excitado. Cuando un átomo recibe energía (por ejemplo, al calentarlo), sus electrones se excitan y suben a niveles energéticos superiores.

Cada elemento químico tiene un espectro de emisión único, como una "firma espectral", que permite identificarlo. Esta propiedad es la base de la espectroscopía, técnica que usamos para analizar la composición de sustancias desconocidas.

Al estudiar el espectro de emisión de gases como hidrógeno, sodio o calcio, vemos líneas brillantes de colores específicos, no un espectro continuo. Esta diferencia clave nos muestra que los átomos solo emiten ciertas longitudes de onda precisas, lo que está directamente relacionado con su estructura cuántica.

🔍 ¡Aplicación práctica! Los fuegos artificiales obtienen sus colores característicos gracias a diferentes sales metálicas que, al calentarse, emiten luz en sus espectros de emisión específicos.

Funcionamiento del Espectro de Emisión

El proceso de emisión de luz por los átomos sigue tres etapas fundamentales:

1. Estado basal: Los electrones normalmente se distribuyen de manera que la energía del átomo sea mínima. Este es su estado natural y estable.

2. Estado excitado: Cuando un átomo recibe energía (calor, electricidad), sus electrones absorben esta energía y saltan a niveles energéticos superiores.

3. Emisión: El estado excitado es inestable, por lo que los electrones vuelven a niveles inferiores, liberando la energía extra en forma de fotones (luz).

Los niveles de energía están cuantizados, lo que significa que los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles específicos y no posiciones intermedias. Por eso, cuando un electrón cae de un nivel a otro, emite un fotón con una energía muy precisa, dada por la fórmula E = hν.

🧪 Este fenómeno explica por qué las luces de neón tienen colores tan característicos y brillantes: cada gas produce su propio conjunto único de líneas espectrales.

Espectro de Absorción

El espectro de absorción se produce cuando la luz blanca pasa a través de un gas o sustancia. En este proceso, la sustancia absorbe selectivamente ciertas longitudes de onda específicas, dejando "huecos" o líneas negras en el espectro resultante.

La espectroscopía de absorción atómica se basa en que los átomos absorben radiación de longitudes de onda específicas, que coinciden exactamente con las que emitirían si estuvieran excitados. Esta absorción ocurre cuando la energía de los fotones incidentes corresponde a la diferencia energética entre niveles atómicos.

Cuando observamos un espectro de absorción, vemos líneas oscuras sobre un fondo de colores continuos. Estas líneas negras representan las longitudes de onda que han sido absorbidas por la sustancia analizada.

🌟 Los científicos Bunsen y Kirchhoff descubrieron que el espectro de absorción de un elemento coincide exactamente con su espectro de emisión, pero aparece como líneas negras en lugar de líneas brillantes.

Cómo Funciona el Espectro de Absorción

El color que percibimos en un objeto o sustancia está determinado por las longitudes de onda que este refleja o transmite, no por las que absorbe. Un objeto aparece del color que no absorbe.

Por ejemplo, si un compuesto absorbe todas las longitudes de onda excepto el azul, lo veremos azul porque esa es la luz que llega a nuestros ojos. De manera similar, si un material absorbe principalmente el rojo $longitudes de onda de 630-750 nm$, aparecerá verde, que es su color complementario.

Este fenómeno explica por qué las hojas son verdes: la clorofila absorbe fuertemente la luz roja y azul para la fotosíntesis, pero refleja la luz verde. También explica por qué la sangre es roja: la hemoglobina absorbe fuertemente la luz verde-azul.

🎨 ¡Conexión con el arte! Los pintores aprovechan intuitivamente la teoría del color basada en absorción y reflexión para crear sus obras, mezclando pigmentos que absorben ciertas longitudes de onda.

Diferencias Entre Espectros de Emisión y Absorción

Los espectros de emisión se producen cuando los átomos o moléculas excitados liberan energía en forma de luz. En este caso, vemos líneas brillantes de colores específicos sobre un fondo oscuro. Estas líneas representan las transiciones energéticas de los electrones al bajar a niveles inferiores.

Por otro lado, los espectros de absorción ocurren cuando la luz pasa a través de una sustancia y esta absorbe ciertas longitudes de onda. Vemos líneas oscuras sobre un fondo continuo de colores. Estas líneas oscuras corresponden exactamente a las mismas longitudes de onda que serían brillantes en el espectro de emisión.

La principal diferencia visual es que uno muestra líneas brillantes sobre fondo oscuro (emisión) y el otro muestra líneas oscuras sobre fondo brillante (absorción). Sin embargo, ambos revelan la misma información sobre la estructura atómica de la sustancia.

🔭 ¡Aplicación astronómica! Analizando el espectro de absorción de la luz de las estrellas, los astrónomos pueden determinar la composición química de objetos a miles de millones de años luz de distancia.

Ejemplos Prácticos de Espectros

Espectro de emisión: Las luces de neón son un ejemplo cotidiano. Cuando aplicamos electricidad a un tubo que contiene gas neón, los átomos se excitan y emiten luz con un característico color rojo-anaranjado. Si analizamos esta luz con un espectrógrafo, veríamos líneas brillantes específicas que corresponden a las transiciones de energía de los electrones del neón.

Espectro de absorción: La clorofila en las plantas nos muestra un ejemplo claro. Cuando la luz blanca incide sobre una solución de clorofila, esta absorbe selectivamente las longitudes de onda rojas y azules (que usa para la fotosíntesis). Si analizamos la luz que atraviesa la solución, veríamos bandas oscuras en las regiones roja y azul del espectro, mientras que la región verde pasa sin ser absorbida.

Estos fenómenos tienen aplicaciones prácticas importantes: desde el análisis forense y la identificación de compuestos químicos hasta el estudio de la composición de cuerpos celestes y la búsqueda de exoplanetas.

🏭 ¡Aplicación industrial! La espectroscopía se utiliza en control de calidad para verificar la pureza de productos farmacéuticos y detectar contaminantes en alimentos, agua y aire.