¿Qué es un espectroscopio?

Un espectroscopio es un instrumento científico que divide la luz en sus diferentes longitudes de onda, que los humanos ven como colores diferentes. El violeta tiene la longitud de onda más corta que la gente puede ver y el rojo es el más largo. Este instrumento también puede identificar longitudes de onda que los humanos no pueden ver, como la radiación infrarroja y ultravioleta. La luz generalmente contiene una mezcla de diferentes longitudes de onda; al estudiarlos, los científicos pueden encontrar información útil, como los elementos químicos presentes en la fuente de luz. Los espectroscopios se utilizan ampliamente en astronomía, química y otras áreas.

Tipos de espectroscopio y cómo funcionan

Joseph von Fraunhofer, un óptico alemán, inventó el espectroscopio en 1814. En su forma temprana, usaba una lente para enfocar la luz entrante y un prisma para dividir la luz por refracción. Más tarde, sin embargo, Fraunhofer reemplazó el prisma con un dispositivo que consta de una serie de rendijas paralelas estrechas conocidas como rejilla de difracción. Esto extendió las diferentes longitudes de onda de la luz en diferentes cantidades y tuvo la ventaja de permitir al observador medir realmente las longitudes de onda, lo que no era posible usando un prisma. Fraunhofer usó sus espectroscopios para estudiar la luz de una variedad de fuentes, incluidas llamas, materiales calientes y el Sol, planetas y estrellas.

Los espectroscopios modernos vienen en varios tipos, dependiendo de su propósito. Un dispositivo de mano simple utiliza una pequeña rejilla de difracción o prisma y es fácilmente portátil. Está diseñado para su uso en el campo y se puede utilizar para identificar piedras preciosas y minerales, por ejemplo. En astronomía, normalmente se usaría un espectroscopio con un telescopio para analizar la luz de objetos distantes y débiles; estos instrumentos tienden a ser pesados ​​y voluminosos.

Hay otros instrumentos que hacen el mismo trabajo que un espectroscopio y funcionan con el mismo principio. Estos difieren principalmente en la forma en que se registra el espectro. Un espectrómetro moderno produce una imagen digital del espectro, mientras que un espectrofotómetro lo registra electrónicamente, y un espectrógrafo es un nombre más general para un instrumento que produce y registra un espectro. Estos términos a veces se usan indistintamente y «espectroscopio» puede describir cualquiera de ellos.

Algunos dispositivos pueden producir espectros de radiación electromagnética con longitudes de onda más allá de los límites de la luz visible. Dado que esta radiación no se puede observar directamente, los espectros deben ser registrados por detectores especiales. Se utilizan para estudiar la radiación infrarroja y ultravioleta.

Un espectroscopio de infrarrojos puede usar un monocromador ajustable para aislar cada longitud de onda de interés por turno o, más comúnmente, un interferómetro. Esto divide la radiación entrante en dos haces. Un espejo en movimiento varía la longitud de un haz de modo que cuando se juntan producen un patrón de interferencia. El análisis del patrón revela las diferentes longitudes de onda que están presentes. El método del interferómetro tiene la ventaja de detectar todas las longitudes de onda en una sola pasada.
Tipos de espectro
Las sustancias que emiten luz producen un espectro de emisión. Los sólidos calientes y brillantes, como el metal al rojo vivo, emiten luz en todas las longitudes de onda y producen un espectro continuo, donde los colores se fusionan entre sí. Los gases muy calientes, por otro lado, producen un espectro de líneas, que consiste en líneas de colores sobre un fondo oscuro. Esto se debe a que emiten luz solo en ciertas longitudes de onda, dependiendo de los elementos químicos que estén presentes.

Cada elemento tiene su propio patrón de líneas único. El sodio, por ejemplo, produce líneas fuertes en la parte amarilla del espectro. Esto se puede ver rociando sal (cloruro de sodio) en una llama, lo que le da un color amarillo distintivo.
Un espectro de absorción se produce cuando la luz en longitudes de onda particulares es absorbida por un gas o líquido a través del cual pasa. Cada elemento químico absorbe solo ciertas longitudes de onda específicas, las mismas que emite como gas caliente, por lo que los espectros de absorción también se pueden usar para identificar elementos. Un espectro de absorción consta de líneas oscuras sobre el fondo brillante de un espectro continuo.
El Sol produce un espectro continuo con una serie de líneas de absorción oscuras. El proceso de fusión nuclear en el núcleo del Sol libera luz en muchas longitudes de onda, pero algunas de ellas son absorbidas por varios elementos a medida que la luz viaja a la superficie, produciendo líneas oscuras. Los científicos pudieron determinar la composición química del Sol de esta manera. El elemento helio, que nunca se había visto en la Tierra, fue identificado por primera vez por sus líneas de absorción en el espectro del Sol.

Espectroscopía en astronomía
Los astrónomos usan espectroscopios para averiguar qué elementos están presentes en las estrellas, en las atmósferas de los planetas y en el espacio interestelar. Se ha descubierto que las estrellas difieren en composición y pueden clasificarse según sus espectros. Los espectroscopios han permitido a los investigadores averiguar qué elementos están presentes en las atmósferas de los otros planetas del sistema solar. Los astrónomos pueden analizar las atmósferas de exoplanetas que orbitan otras estrellas; si se descubriera oxígeno, esto sería un fuerte indicio de vida.
El examen de la luz de otras galaxias ha revelado que, en la mayoría de los casos, las líneas espectrales de los elementos se desplazan hacia la longitud de onda más larga, el extremo rojo del espectro, un fenómeno conocido como desplazamiento al rojo. Las galaxias más distantes muestran los mayores corrimientos al rojo, y la mayoría de los astrónomos creen que esto se debe a que el universo se está expandiendo. A medida que aumenta el espacio entre dos objetos, la luz que viaja entre ellos se estira, lo que resulta en longitudes de onda más largas.
Los espectros de objetos muy distantes, a miles de millones de años luz de distancia, se desplazan más allá del rango de la luz visible hacia la región infrarroja. Por esta razón, se debe utilizar espectroscopia infrarroja para analizarlos. Las moléculas producen radiación infrarroja en longitudes de onda características cuando vibran o giran. Por tanto, este método puede utilizarse para identificar las moléculas presentes en las nubes de gas que flotan en el espacio interestelar. Los astrónomos han descubierto agua, metano y amoníaco en las nubes de gas de esta manera.
Espectroscopía en química
En química, los espectroscopios pueden identificar los elementos presentes en una muestra de material. Calentar la muestra con fuerza, como en una llama, la convierte en un gas caliente y brillante que produce un espectro de líneas de emisión. Luego, los químicos pueden examinar esto para identificar los elementos. Este método condujo al descubrimiento de muchos de los elementos de la tabla periódica. Alternativamente, la espectroscopia puede capturar el espectro de absorción de un líquido cuando una luz lo atraviesa.
Los químicos pueden usar la espectroscopia para identificar tanto compuestos químicos como elementos. La espectroscopia infrarroja es particularmente útil a este respecto, y se usa a menudo en química orgánica, bioquímica y química forense.