Un espectro de emisión es la radiación electromagnética (EMR), como la luz visible, que emite una sustancia. Cada elemento emite una huella de luz única, por lo que analizar las frecuencias de esta luz ayuda a identificar la sustancia química que la generó. Este procedimiento se llama espectroscopia de emisión y es una herramienta científica muy útil. Se utiliza en astronomía para estudiar los elementos presentes en las estrellas y en análisis químico.
La radiación electromagnética se puede describir en términos de su longitud de onda, la distancia entre las crestas de las ondas, o su frecuencia, el número de crestas que pasan en un período de tiempo determinado. Cuanto mayor sea la energía de la radiación, menor será su longitud de onda y mayor será su frecuencia. La luz azul, por ejemplo, tiene una energía más alta y, por lo tanto, una frecuencia más alta y una longitud de onda más corta que la luz roja.
Tipos de espectros
Hay dos tipos de espectro de emisión. El tipo continuo contiene muchas frecuencias que se fusionan entre sí sin espacios, mientras que el tipo de línea contiene solo unas pocas frecuencias distintas. Los objetos calientes producen un espectro continuo, mientras que los gases pueden absorber energía y luego emitirla en ciertas longitudes de onda específicas, formando un espectro de líneas de emisión. Cada elemento químico tiene su propia secuencia de líneas única.
Cómo se produce un espectro continuo
Las sustancias relativamente densas, cuando se calientan lo suficiente, emiten luz en todas las longitudes de onda. Los átomos están relativamente juntos y, a medida que ganan energía, se mueven más y chocan entre sí, lo que da como resultado una amplia gama de energías. El espectro, por lo tanto, consiste en EMR en un rango muy amplio de frecuencias. Las cantidades de radiación a diferentes frecuencias varían con la temperatura. Un clavo de hierro calentado en una llama pasará de rojo a amarillo y a blanco a medida que aumenta su temperatura y emite cantidades cada vez mayores de radiación en longitudes de onda más cortas.
Un arco iris es un ejemplo del espectro continuo producido por el Sol. Las gotas de agua actúan como prismas, dividiendo la luz del Sol en sus distintas longitudes de onda.
El espectro continuo está determinado enteramente por la temperatura de un objeto y no por su composición. De hecho, los colores se pueden describir en términos de temperatura. En astronomía, el color de una estrella revela su temperatura, siendo las estrellas azules mucho más calientes que las rojas.
Cómo los elementos producen espectros de líneas de emisión
Un espectro de líneas es producido por gas o plasma, donde los átomos están lo suficientemente separados como para no influir directamente entre sí. Los electrones de un átomo pueden existir en diferentes niveles de energía. Cuando todos los electrones de un átomo se encuentran en su nivel de energía más bajo, se dice que el átomo está en su estado fundamental. A medida que absorbe energía, un electrón puede saltar a un nivel de energía más alto. Sin embargo, tarde o temprano, el electrón volverá a su nivel más bajo y el átomo a su estado fundamental, emitiendo energía en forma de radiación electromagnética.
La energía de la EMR corresponde a la diferencia de energía entre los estados superior e inferior del electrón. Cuando un electrón cae de un estado de alta a baja energía, el tamaño del salto determina la frecuencia de la radiación emitida. La luz azul, por ejemplo, indica una caída de energía mayor que la luz roja.
Cada elemento tiene su propia disposición de electrones y posibles niveles de energía. Cuando un electrón absorbe radiación de una frecuencia particular, luego emitirá radiación a la misma frecuencia: la longitud de onda de la radiación absorbida determina el salto inicial en el nivel de energía y, por lo tanto, el eventual salto de regreso al estado fundamental. De esto se deduce que los átomos de cualquier elemento dado solo pueden emitir radiación en ciertas longitudes de onda específicas, formando un patrón único para ese elemento.
Observando espectros
Se utiliza un instrumento conocido como espectroscopio o espectrómetro para observar los espectros de emisión. Utiliza un prisma o rejilla de difracción para dividir la luz y, a veces, otras formas de EMR, en sus diferentes frecuencias. Esto puede dar un espectro continuo o lineal, dependiendo de la fuente de luz.
Un espectro de emisión de líneas aparece como una serie de líneas coloreadas sobre un fondo oscuro. Al notar las posiciones de las líneas, un espectroscopista puede descubrir qué elementos están presentes en la fuente de luz. El espectro de emisión de hidrógeno, el elemento más simple, consta de una serie de líneas en los rangos rojo, azul y violeta de la luz visible. Otros elementos suelen tener espectros más complejos.
Pruebas de llama
Algunos elementos emiten luz principalmente de un solo color. En estos casos, es posible identificar el elemento en una muestra realizando una prueba de llama. Esto implica calentar la muestra en una llama, haciendo que se vaporice y emita radiación en sus frecuencias características y le dé un color claramente visible a la llama. El elemento sodio, por ejemplo, da un fuerte color amarillo. Muchos elementos se pueden identificar fácilmente de esta manera.
Espectros moleculares
Las moléculas completas también pueden producir espectros de emisión, que resultan de cambios en la forma en que vibran o giran. Estos involucran energías más bajas y tienden a producir emisiones en la parte infrarroja del espectro. Los astrónomos han identificado una variedad de moléculas interesantes en el espacio mediante espectroscopía infrarroja, y la técnica se usa a menudo en química orgánica.
Espectro de absorción
Es importante distinguir entre espectros de emisión y absorción. En un espectro de absorción, algunas longitudes de onda de luz se absorben a medida que atraviesan un gas, formando un patrón de líneas oscuras sobre un fondo continuo. Los elementos absorben las mismas longitudes de onda que emiten, por lo que esto se puede utilizar para identificarlos. Por ejemplo, la luz del Sol que atraviesa la atmósfera de Venus produce un espectro de absorción que permite a los científicos determinar la composición de la atmósfera del planeta.