La radiación electromagnética y los espectros

Sabemos que la radio y la televisión se transmiten mediante ondas electromagnéticas. La luz, los rayos infrarrojos, los rayos ultravioleta, los rayos X y las microondas son también ondas electromagnéticas. Estas ondas se producen cuando se mueven partícula cargadas eléctricamente. A estas ondas se les llama también radiaciones electromagnéticas, porque se irradian a partir de partículas cargadas eléctricamente. Se propagan a través del vacío, del aire y de otras muchas sustancias.

La radiación electromagnética tiene dos comportamientos simultáneamente: por una parte se comporta como las ondas y por otro como si se tratara de un chorro de partículas que llamamos fotones. La diferencia entre las ondas electromagnéticas citadas antes está en la longitud de onda. En el gráfico inferior se pueden ver las longitudes de onda de las distintas radiaciones. A este diagrama que muestra las radiaciones de acuerdo con su longitud de onda o su frecuencia se le llama espectro.

Espectro de radiaciones electromagnéticas. Cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la energía de los fotones. Las ondas de longitud de onda muy corta son ionizantes, es decir, son capaces de arrancar electrones de los átomos.

Cuando proyectamos sobre una pared los rayos solares después de atravesar un prisma podemos ver el espectro de la luz visible. En la figura que vemos no podemos apreciar ningún límite nítido entre colores ni tampoco apreciamos límites claros entre las distintas intensidades dentro de un mismo color. Un espectro así se dice que es un espectro continuo. Otros espectros no son así. Si en lugar de utilizar luz solar usásemos la luz de una vela o de una lámpara especial y la dispersásemos mediante un prisma, veríamos unas líneas más luminosas que su entorno o, al revés, más oscuras que su entorno. A las primeras les llamamos líneas de emisión y a las segundas líneas de absorción. El estudio de los espectros se llama espectroscopia.

Lo que nos muestran los espectros

Los seres humanos conocen los espectros desde siempre; por lo menos han conocido un tipo concreto de espectro: el arco iris. Sin embargo los científicos no supieron sacar consecuencias de la observación de los espectros durante mucho tiempo. En 1802, el físico y químico británico William Wollaston (1766-1828) vio algunas líneas oscuras en el espectro de la luz solar. Creyó que eran límites naturales entre los colores. El físico alemán Joseph von Fraunhofer (1787-1826), utilizando prismas mejores, estudió la luz solar y pudo distinguir 600 líneas oscuras. Finalmente, otro alemán, Gustav Kirchhoff (1824-1887) descubrió lo que ocurría y definió unas reglas para explicar todo eso:

1) Un sólido o un líquido luminoso emite un espectro continuo que contiene todas las longitudes de onda. No tiene líneas.

2) Un gas luminoso rarificado emite una luz que produce un espectro que contiene líneas brillantes. A estas líneas les llamamos líneas de emisión.

3) Si una luz que procede de una fuente luminosa atraviesa un gas, el gas es capaz de extraer determinadas energías del espectro continuo. Entonces vemos líneas oscuras en las zonas del espectro de donde se ha extraído energía. A estas líneas oscuras les llamamos líneas de absorción.

Cualquier elemento de la tabla periódica puede estar en estado gaseoso y puede producir líneas brillantes. Además éstas son específicas para cada elemento. Por ejemplo el espectro que produce el hidrógeno y el que produce el helio son distintos. Cada tipo de átomo o de molécula emite un determinado conjunto de frecuencias. Por ejemplo, el monóxido de carbono (CO) emite una línea a 115 Gigahertz (o 2,7 mm de longitud de onda). Por lo tanto, cualquier materia si se calienta suficientemente como para que emita luz y se estudia el espectro de esa luz, se puede saber que elementos y compuestos contiene. Ese es precisamente el fundamento de la espectroscopia de emisión.

Ocurre algo parecido con los espectros de absorción: las bandas negras que producen en el espectro continuo las bandas de energía absorbidas al pasar la radiación a través de una sustancia nos informan acerca de la composición de esa sustancia. A esto se le llama espectroscopia de absorción.

Cuando la radiación electromagnética atraviesa la materia, la mayor parte de las radiaciones se siguen propagando en la misma dirección que traían antes, pero una pequeña parte se dispersa en otras direcciones. La espectroscopia que se basa en este fenómeno se llama espectroscopia de dispersión.

Tipos de espectroscopia

Aparte de la clasificación basada en los tipos de espectro que hemos citado en el punto anterior, se pueden distinguir los tipos de espectroscopia de acuerdo con las radiaciones que se utilizan, así tenemos:

La espectroscopia de rayos X y la cristalografía de rayos X. Los rayos que tienen una frecuencia, y por lo tanto una energía, suficientemente alta cuando atraviesan una sustancia, hacen pasar los electrones de las capas internas de los átomos a los orbitales vacíos del exterior o son arrancados del átomo ionizando a éste. El hueco que ha quedado en el interior lo pueden ocupar electrones de los orbitales externos. La energía que se recupera en ese proceso de desexcitación se irradia, en forma de fluorescencia, o arrancando electrones que tengan enlaces más débiles. Las frecuencias de absorción y de emisión son específicas de cada tipo de átomo. Esta técnica se utiliza en Química y en Ingeniería de Materiales. En la cristalografía de rayos X, éstos entran en el cristal con un determinado ángulo. Puesto que la longitud de onda de los rayos X es conocida se puede calcular la distancia entre los planos de los cristales. Esto se utiliza para conocer la estructura cristalina.

Equipo de espectroscopia por rayos X

Espectroscopia de luz visible. Muchos átomos emiten o absorben luz visible. Para obtener espectros de líneas adecuados los átomos deben estar en fase gaseosa. Esto quiere decir que hay que vaporizar la sustancia.

Espectroscopia de luz ultravioleta. Todos los átomos absorben la luz ultravioleta, porque los fotones tienen suficiente energía para excitar los electrones externos. Si la frecuencia es suficientemente alta, se produce la fotoionización.

Este aparato, mide el contenido de la atmósfera en ion OH, dióxido de nitrógeno NO2, ion NO3, monóxido de bromo BrO y ozono O3, mediante espectroscopia de luz visible y ultravioleta, desde una instalación terrestre de la NASA, dentro de un programa internacional para observar los cambios a largo plazo.

Hay otros muchos tipos de espectroscopia.