Espectro de emisión

El espectro de emisión de un elemento químico o compuesto químico es el espectro de frecuencias de la radiación electromagnética emitida debido a que los electrones hacen una transición desde un estado de alta energía a un estado de energía más baja. La energía fotónica de los fotones emitidos es igual a la diferencia de energía entre los dos estados. Hay muchas transiciones electrónicas posibles para cada átomo, y cada transición tiene una diferencia de energía específica. Esta colección de diferentes transiciones, que dan lugar a diferentes longitudes de onda radiadas , componen un espectro de emisión. El espectro de emisión de cada elemento es único. Por lo tanto, la espectroscopia se puede utilizar para identificar elementos en la materia de composición desconocida. De manera similar, los espectros de emisión de las moléculas se pueden utilizar en el análisis químico de sustancias.

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

Como la energía debe conservarse, la diferencia de energía entre los dos estados es igual a la energía transportada por el fotón. Los estados de energía de las transiciones pueden dar lugar a emisiones en un rango muy amplio de frecuencias. Por ejemplo, la luz visible se emite por el acoplamiento de estados electrónicos en átomos y moléculas (entonces el fenómeno se llama 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. Esto puede estar relacionado con otras propiedades del objeto a través de la ley de Stefan-Boltzmann . Para 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 muchas longitudes de onda permiten la identificación de una sustancia mediante espectroscopia de emisión .

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

Cuando los electrones del átomo se excitan, por ejemplo, al calentarlos, la energía adicional empuja a los electrones a orbitales de mayor energía. Cuando los electrones vuelven a caer y abandonan el estado excitado, la energía se vuelve a emitir 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 sólo ciertos colores aparezcan en el espectro de emisión atómica de un elemento significa que sólo se emiten ciertas frecuencias de luz. Cada una de estas frecuencias está relacionada con la energía mediante la fórmula: donde es la energía del fotón, es su frecuencia y es la constante de Planck . Esto concluye que el átomo sólo emite fotones con energías específicas. El principio del espectro de emisión atómica explica los variados colores de los letreros de neón , así como los resultados de las pruebas de llama química (descritas a continuación).$${\displaystyle E_{\text{fotón}}=h\nu ,}$$${\displaystyle E_{\text{fotón}}}$${\estilo de visualización \nu}$${\estilo de visualización h}$

Las frecuencias de luz que puede emitir un átomo dependen de los estados en los que pueden encontrarse los electrones. Cuando se excita, un electrón se mueve a un nivel de energía u orbital más alto. Cuando el electrón vuelve a su nivel fundamental, se emite luz.

La imagen de arriba muestra el espectro de emisión de luz visible del hidrógeno . Si solo hubiera un único átomo de hidrógeno presente, entonces solo se observaría una única longitud de onda en un instante dado. Se observan varias de las posibles emisiones porque la muestra contiene muchos átomos de hidrógeno que están en diferentes estados iniciales de energía y alcanzan diferentes estados finales de energía. Estas diferentes combinaciones dan lugar a emisiones simultáneas en diferentes longitudes de onda.

Además de las transiciones electrónicas analizadas anteriormente, la energía de una molécula también puede cambiar a través de transiciones rotacionales , vibracionales y vibrónicas (combinaciones vibracionales y electrónicas). Estas transiciones de energía a menudo conducen a grupos muy espaciados de muchas líneas espectrales diferentes , conocidas como bandas espectrales . Los espectros de bandas no resueltos pueden aparecer como un continuo espectral.

La luz está formada por radiaciones electromagnéticas de diferentes longitudes de onda. Por tanto, cuando los elementos o sus compuestos se calientan 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 da 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 en una serie de líneas llamadas espectro de líneas. Este espectro de líneas se llama espectro atómico cuando se origina a partir de un átomo en forma elemental. Cada elemento tiene un espectro atómico diferente. La producción de espectros de líneas por parte de los átomos de un elemento indica que un átomo puede irradiar solo una cierta cantidad de energía. Esto lleva a la conclusión de que los electrones ligados no pueden tener cualquier cantidad de energía, sino solo una cierta cantidad de energía.

El espectro de emisión puede utilizarse 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 mediante el análisis de 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 se sumerge un alambre de platino en una solución de nitrato de sodio y luego se inserta en una llama, los átomos de sodio emiten un color amarillo ámbar. De manera similar, cuando se inserta indio en una llama, la llama se vuelve azul. Estas características definidas permiten identificar los elementos por su espectro de emisión atómico. No todas las luces emitidas son perceptibles 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 fines del siglo XIX y los esfuerzos en la explicación teórica de los espectros de emisión atómica finalmente condujeron a la mecánica cuántica .

Existen muchas formas de llevar a los átomos a un estado excitado. La interacción con la 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 energía dispersiva o fluorescencia de rayos X. El método más simple es calentar la muestra a una temperatura alta, después de 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 utilizado 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 son causadas por una transición entre estados de energía cuantizados y a primera vista pueden parecer muy nítidas, tienen un ancho finito, es decir, están compuestas por más de una longitud de onda de luz. Este ensanchamiento de la línea espectral tiene muchas causas diferentes.

La espectroscopia de emisión a menudo se denomina espectroscopia de emisión óptica debido a la naturaleza luminosa de lo que se emite.

En 1756, Thomas Melvill observó la emisión de patrones distintivos de color cuando se añadían sales a las llamas de alcohol . ^[2] En 1785, James Gregory descubrió los principios de la rejilla de difracción y el astrónomo estadounidense David Rittenhouse fabricó la primera rejilla de difracción diseñada . ^{[3] [4]} En 1821, Joseph von Fraunhofer solidificó este importante salto experimental de reemplazar un prisma como fuente de dispersión de longitud de onda, mejorando la resolución espectral y permitiendo cuantificar las longitudes de onda dispersas. ^[5]

En 1835, Charles Wheatstone informó que los diferentes metales podían distinguirse por líneas brillantes en los espectros de emisión de sus chispas , introduciendo así una alternativa a la espectroscopia de llama. ^{[6] [7]} En 1849, JBL Foucault demostró experimentalmente que las líneas de absorción y emisión en la misma longitud de onda se deben ambas al mismo material, y que la diferencia entre las dos se origina en la temperatura de la fuente de luz. ^{[8] [9]} En 1853, el físico sueco Anders Jonas Ångström presentó observaciones y teorías sobre los espectros de los gases. ^[10] 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. ^[8] Ångström también midió el espectro de emisión del hidrógeno, posteriormente denominado líneas de Balmer . ^{[11] [12]} En 1854 y 1855, David Alter publicó observaciones sobre los espectros de metales y gases, incluida una observación independiente de las líneas de Balmer del hidrógeno. ^{[13] [14]}

En 1859, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen notaron que varias líneas de Fraunhofer (líneas en el espectro solar) coinciden con líneas de emisión características identificadas en los espectros de elementos calentados. ^{[15] [16]} Se dedujo correctamente que las líneas oscuras en el espectro solar son causadas por la absorción por elementos químicos en la atmósfera solar . ^[17]

La solución que contiene la sustancia relevante que se va a analizar se introduce en el quemador y se dispersa en la llama como un rocío fino. El disolvente se evapora primero, dejando partículas sólidas finamente divididas que se desplazan a la región más caliente de la llama, donde se producen átomos gaseosos e iones mediante la disociación de moléculas. Aquí los electrones se excitan como se ha descrito anteriormente y emiten espontáneamente fotones que se desintegran en estados de menor energía. Es habitual utilizar un monocromador para facilitar la detección.

En un nivel simple, la espectroscopia de emisión de llama se puede observar usando solo una llama y muestras de sales metálicas. Este método de análisis cualitativo se llama prueba de llama . Por ejemplo, las sales de sodio colocadas en la llama brillarán de color amarillo a partir de los iones de sodio, mientras que los iones de estroncio (usados ​​en las bengalas de carretera) la colorearán de rojo. El cable de cobre creará una llama de color azul, sin embargo, en presencia de cloruro da verde (contribución molecular del CuCl).

El coeficiente de emisión es un coeficiente en 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. Tiene unidad m⋅s ⁻³ ⋅sr ⁻¹ . ^[18] También se utiliza como una medida de emisiones ambientales (en masa) por MW⋅h de electricidad generada , consulte: Factor de emisión .

En la dispersión de Thomson, una partícula cargada emite radiación bajo la luz incidente. La partícula puede ser un electrón atómico común, por lo que los coeficientes de emisión tienen aplicaciones prácticas.

Si X dV d Ω dλ es la energía dispersada por un elemento de volumen dV en un ángulo sólido d Ω entre las longitudes de onda λ y λ + dλ por unidad de tiempo, entonces el coeficiente de emisión es X .

Los valores de X en la dispersión de Thomson se pueden predecir a partir del flujo incidente, la densidad de las partículas cargadas y su sección transversal diferencial de Thomson (área/ángulo sólido).

Un cuerpo caliente que emite fotones tiene un coeficiente de emisión monocromático relacionado con su temperatura y su radiación de potencia total. Esto a veces se denomina segundo coeficiente de Einstein y se puede deducir de la teoría de la mecánica cuántica .

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