Espectro de emisión

Frecuencias de la luz emitida por átomos o compuestos químicos.

Espectro de emisión de una lámpara de halogenuros metálicos.

Una demostración de las líneas D de emisión de sodio de 589 nm D ₂ (izquierda) y 590 nm D ₁ (derecha) usando una mecha con agua salada en una llama

El espectro de emisión de un elemento químico o compuesto químico es el espectro de frecuencias de radiación electromagnética emitida debido a que un átomo o molécula hace una transición de un estado de alta energía a un estado de menor energía. La energía del fotón del fotón emitido es igual a la diferencia de energía entre los dos estados. Hay muchas transiciones de electrones posibles para cada átomo, y cada transición tiene una diferencia de energía específica. Esta colección de diferentes transiciones, que conducen 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 materia de composición desconocida. Del mismo modo, los espectros de emisión de moléculas se pueden utilizar en el análisis químico de sustancias.

Emisión

En física , la emisión es el proceso mediante el cual un estado mecánico cuántico de mayor energía de una partícula se convierte en uno inferior a través de la emisión de un fotón , lo que resulta en 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 rango muy amplio de frecuencias. Por ejemplo, la luz visible es emitida por el acoplamiento de estados electrónicos en átomos y moléculas (entonces el fenómeno se llama fluorescencia o fosforescencia ). Por otro lado, las transiciones de la capa nuclear 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 cuánta luz 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 lleva a la aparición de líneas de emisión y temperatura de color . 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 la perturbación 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 sigue siendo más útil en la mayoría de los cálculos prácticos.

Orígenes

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 solo aparezcan ciertos colores 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:

${\displaystyle E_{\text{photon}}=h\nu }$,

donde es la energía del fotón, es su frecuencia y 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 colores variados en los letreros de neón , así como los resultados de las pruebas químicas de llama (que se describen a continuación).${\displaystyle E_{\text{photon}}}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle h}$

Las frecuencias de la luz que puede emitir un átomo dependen de los estados en los que pueden estar los electrones. Cuando se excita, un electrón se mueve a un nivel de energía u orbital superior. Cuando el electrón vuelve a caer a su nivel del suelo, se emite luz.

Espectro de emisión de hidrógeno

La imagen de arriba muestra el espectro de emisión de luz visible para el hidrógeno . Si solo estuviera presente un solo átomo de hidrógeno, entonces solo se observaría una sola longitud de onda en un instante dado. Varias de las posibles emisiones se observan porque la muestra contiene muchos átomos de hidrógeno que se encuentran en diferentes estados energéticos iniciales y alcanzan diferentes estados energéticos finales. Estas diferentes combinaciones conducen a emisiones simultáneas a diferentes longitudes de onda.

Espectro de emisión de hierro

Radiación de moléculas

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

Espectroscopia de emisión

La luz consiste en radiación electromagnética de diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, cuando los elementos o sus compuestos se calientan con una llama o con un arco eléctrico, emiten energía en forma de luz. 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 denomina espectro atómico cuando se origina en un átomo en forma elemental. Cada elemento tiene un espectro atómico diferente. La producción de espectros de línea por 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 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 el alambre de platino se sumerge 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 atómica. No todas las luces emitidas son perceptibles a simple vista, ya que el espectro también incluye rayos ultravioleta y radiación infrarroja. Se forma un espectro de emisión cuando un gas excitado se ve directamente a través de un espectroscopio.

Diagrama esquemático de emisión espontánea.

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 en la explicación teórica de los espectros de emisión atómica finalmente llevaron a la mecánica cuántica .

Hay muchas formas de llevar los átomos a un estado excitado. La interacción con la radiación electromagnética se utiliza en la espectroscopia de fluorescencia , protones u otras partículas más pesadas en -Particle Induced de rayos X de emisión y electrones o fotones de rayos X en energía dispersiva espectroscopia de rayos X o de fluorescencia de rayos X . El método más sencillo consiste en calentar la muestra a una temperatura elevada, tras lo cual las excitaciones se producen por colisiones entre los átomos de la muestra. Este método se utiliza en 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 cuantificados y pueden parecer muy nítidas al principio, 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.

Más información: espectroscopia de emisión atómica

Historia

Más información: Historia de la espectroscopia

En 1756, Thomas Melvill observó la emisión de distintos patrones 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 hizo 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 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 al mismo material, y 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 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 que más tarde etiquetó las 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 Balmer de 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 de elementos químicos en la atmósfera solar . ^[17]

Técnica experimental en espectroscopia de emisión de llama

La solución que contiene la sustancia relevante a analizar se introduce en el quemador y se dispersa en la llama como una fina pulverización. El solvente se evapora primero, dejando partículas sólidas finamente divididas que se mueven a la región más caliente de la llama donde se producen átomos e iones gaseosos . Aquí los electrones se excitan como se describió anteriormente. Es común que se utilice un monocromador para permitir una fácil detección.

En un nivel simple, la espectroscopia de emisión de llamas 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 (que se usan en las bengalas de las carreteras) la colorean de rojo. El alambre de cobre creará una llama de color azul, sin embargo, en presencia de cloruro, dará verde (contribución molecular del CuCl).

Coeficiente de emisión

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. Tiene unidades de ms ⁻³ sr ⁻¹ . ^[18] También se utiliza como una medida de las emisiones ambientales (en masa) por MWh de electricidad generada , ver: Factor de emisión .

Dispersión de luz

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

Si X d V dΩ dλ es la energía dispersada por un volumen elemento d V en ángulo sólido dΩ entre longitudes de onda lambda y λ + dλ por unidad de tiempo a continuación, la emisión coeficiente 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).

Emisión espontánea

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

Ver también

• Espectroscopía de absorción
• Espectro de absorción
• Línea espectral atómica
• Espectroscopía electromagnética
• Lámpara de descarga de gas , Tabla de espectros de emisión de lámparas de descarga de gas
• Desplazamiento isomérico
• Desplazamiento isotópico
• Coeficiente luminoso
• Física del plasma
• Fórmula de Rydberg
• Teoría espectral
• La ecuación de diodo incluye el coeficiente de emisión
• Emisión termoiónica

Referencias

1. Incorporado, SynLube. "Análisis de aceite de espectroscopia" . www.synlube.com . Consultado el 24 de febrero de 2017 .
2. Melvill, Thomas (1756). "Observaciones sobre luz y colores" . Ensayos y Observaciones, Físicas y Literarias. Leer ante una sociedad en Edimburgo,… . 2 : 12–90.  ; véanse las págs. 33–36.
3. Ver:
   • Frauhofer. Jos. (1821) "Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben" (Nueva modificación de la luz por la influencia mutua y la difracción de los rayos [de luz], y sus leyes), Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München (Memorias de la Real Academia de Ciencias de Munich), 8 : 3-76.
   • Fraunhofer, Jos. (1823) "Kurzer Bericht von den Resultaten neuerer Versuche über die Gesetze des Lichtes, und die Theorie derselben" (Breve descripción de los resultados de nuevos experimentos sobre las leyes de la luz y su teoría) Annalen der Physik , 74 (8): 337–378.
4. Parker AR (marzo de 2005). "Una historia geológica de la óptica reflectante" . Revista de la Royal Society, Interface . 2 (2): 1–17. doi : 10.1098 / rsif.2004.0026 . PMC 1578258 . PMID 16849159 .  
5. Astronomía de OpenStax, "Espectroscopia en astronomía". OpenStax CNX. 29 de septiembre de 2016 http://cnx.org/contents/1f92a120-370a-4547-b14e-a3df3ce6f083@3
6. Brian Bowers (2001). Sir Charles Wheatstone FRS: 1802-1875 (2ª ed.). IET. págs. 207–208. ISBN 978-0-85296-103-2.
7. Wheatstone (1836). "Sobre la descomposición prismática de la luz eléctrica" . Informe de la Quinta Reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia; Celebrada en Dublín en 1835. Avisos y resúmenes de comunicaciones a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, en la Reunión de Dublín, agosto de 1835 . Londres, Inglaterra: John Murray. págs. 11-12.
8. Brand, págs. 60-62
9. Ver:
   • Foucault, L. (1849). "Lumière électrique" [Luz eléctrica]. Société Philomatique de Paris. Extraits des Procès-Verbaux de Séances. (en francés): 16–20.
   • Foucault, L. (7 de febrero de 1849). "Lumière électrique" [Luz eléctrica]. L'Institut, Journal Universel des Sciences… (en francés). 17 (788): 44–46.
10. Ver:
    • Ångström, AJ (1852). "Optiska undersökningar" [Investigaciones ópticas]. Kongliga Vetenskaps-Akademiens Handlingar [Actas de la Real Academia de Ciencias] (en sueco). 40 : 333–360.
    • Ångström, AJ (1855a). "Optische Untersuchungen" [Investigaciones ópticas]. Annalen der Physik und Chemie (en alemán). 94 : 141-165.
    • Ångström, AJ (1855b). "Investigaciones ópticas" . Revista filosófica . 4ta serie. 9 : 327–342. doi : 10.1080 / 14786445508641880 .
11. Wagner, HJ (2005). "Espectroscopia temprana y las líneas de Balmer de hidrógeno" . Revista de educación química . 82 (3): 380. Código Bibliográfico : 2005JChEd..82..380W . doi : 10.1021 / ed082p380.1 .
12. (Ångström, 1852), pág. 352; (Ångström, 1855b), pág. 337.
13. Retcofsky, HL (2003). "¿Descubridor del análisis de espectro?" . Revista de educación química . 80 (9): 1003. Código Bibliográfico : 2003JChEd..80.1003R . doi : 10.1021 / ed080p1003.1 .
14. Ver:
    • Alter, David (1854). "Sobre determinadas propiedades físicas de la luz, producidas por la combustión de diferentes metales, en la chispa eléctrica, refractada por un prisma" . La Revista Estadounidense de Ciencias y Artes . 2da serie. 18 : 55–57.
    • Alter, D. (1855). "Sobre ciertas propiedades físicas de la luz de la chispa eléctrica, dentro de ciertos gases, como se ve a través de un prisma" . La Revista Estadounidense de Ciencias y Artes . 2da serie. 19 : 213-214.Las observaciones de Alter del espectro óptico del hidrógeno aparecen en la p. 213.
15. Ver:
    • Gustav Kirchhoff (1859) "Ueber die Fraunhofer'schen Linien" (Sobre las líneas de Fraunhofer), Monatsbericht der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Informe mensual de la Real Academia de Ciencias de Prusia en Berlín), 662–665.
    • Gustav Kirchhoff (1859) "Ueber das Sonnenspektrum" (Sobre el espectro del sol), Verhandlungen des naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg (Actas de la Asociación Médica de Historia Natural en Heidelberg), 1 (7): 251-255.
16. G. Kirchhoff (1860). "Ueber die Fraunhofer'schen Linien" . Annalen der Physik . 185 (1): 148–150. Código Bibliográfico : 1860AnP ... 185..148K . doi : 10.1002 / yp.18601850115 .
17. G. Kirchhoff (1860). "Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht" . Annalen der Physik . 185 (2): 275-301. Código Bibliográfico : 1860AnP ... 185..275K . doi : 10.1002 / yp.18601850205 .
18. Carroll, Bradley W. (2007). Introducción a la astrofísica moderna . CA, EE.UU .: Pearson Education . pag. 256. ISBN 978-0-8053-0402-2.

Enlaces externos

• Espectros de emisión de gases atmosféricos
• Datos de referencia física del NIST: bases de datos de espectroscopia atómica
• Simulación de color del espectro de emisión de elementos basada en datos NIST
• Espectro de emisión de hidrógeno