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Espectro de emisión

Diciembre 17, 2021

El espectro de emisión de un elemento químico o compuesto químico es el espectro de frecuencias de radiación electromagnética emitida debido a un átomo o molécula que realiza una transición de un estado de alta energía a un estado de menor energía. La energía fotónica emitida 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, conforman un espectro de emisión. El espectro de emisión de cada elemento es único. Por lo tanto, la espectroscopía se puede utilizar para identificar los elementos en materia de composición desconocida. De manera similar, los espectros de emisión de moléculas pueden usarse en el análisis químico de sustancias.

Espectro de emisión de una lámpara de halogenuro metálico.
Una demostración de las líneas D de sodio de D2 (izquierda) de 589 nm y D1 (derecha) de 590 nm utilizando una mecha con agua salada en una llama

Emisión

En física, la emisión es el proceso por el cual un estado mecánico cuántico de mayor energía de una partícula se convierte en uno más bajo a través de la emisión de un fotón, lo que resulta en la producción de luz. La frecuencia de la luz emitida es una 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 que se lleva el fotón. Los estados energéticos de las transiciones pueden conducir a emisiones en un amplio rango 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 cáscara nuclear pueden emitir rayos gamma de alta energía, mientras que las transiciones de giro nuclear emiten ondas de radio de baja energía.

La emisión 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 lleva 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 usando mecánica cuántica semiclásica: los niveles de energía de las partículas y los espaciamientos se determinan a partir de la mecánica cuántica, y la luz se trata como un campo eléctrico oscilante que puede conducir 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 sustituida por la electrodinámica cuántica, aunque la versión semi-clásica sigue siendo más útil en los cálculos más prácticos.

Orígenes

Cuando los electrones en el átomo se excitan, por ejemplo, al calentarse, la energía adicional empuja los electrones a orbitales de mayor energía. Cuando los electrones vuelven a caer y dejan el estado excitado, la energía se vuelve a emitir en forma de fotón. La longitud de onda (o la frecuencia equivalente) 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 por la fórmula:

 ,

donde   es la energía del fotón,   es su frecuencia, y   es la constante de Planck. Esto concluye que solo los fotones con energías específicas son emitidos por el átomo. El principio del espectro de emisión atómica explica la variedad de colores en letreros de neón, así como los resultados de las pruebas de llama química.

Las frecuencias de luz que un átomo puede emitir dependen de los estados en los que se encuentran los electrones. Cuando está excitado, un electrón se mueve a un nivel de energía más alto u orbital. Cuando el electrón vuelve a su nivel del suelo, la luz se emite.

 
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 longitud de onda en un instante dado. Se observan varias de las posibles emisiones porque la muestra contiene muchos átomos de hidrógeno que se encuentran en diferentes estados de energía iniciales y alcanzan diferentes estados de energía final. Estas diferentes combinaciones conducen a emisiones simultáneas en diferentes longitudes de onda.

 
Espectro de emisión de hierro

Radiación de las 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 vibratorias 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 banda sin resolver pueden aparecer como un continuo espectral.

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 en una llama o por 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 un 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 el espectro de líneas. Este espectro lineal se denomina 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 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 unidos 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 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 el alambre de platino se sumerge en una solución de nitrato de estroncio y luego se inserta en una llama, los átomos de estroncio emiten un color rojo. De manera similar, cuando el cobre se inserta en una llama, la llama se vuelve verde. 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 los rayos ultravioleta y la iluminación infrarroja. Una emisión se forma cuando un gas excitado se ve directamente a través de un espectroscopio.

 
Diagrama esquemático de la emisión espontánea.

La espectroscopia de emisión es una técnica espectroscópica que examina las longitudes de onda de los fotones emitidos por los 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 de acuerdo con 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 condujeron finalmente a la mecánica cuántica.

Hay muchas maneras en que los átomos pueden ser llevados a un estado excitado. La interacción con la radiación electromagnética se utiliza en espectroscopia de fluorescencia, protones u otras partículas más pesadas en la emisión de rayos X inducida por partículas y electrones o fotones de rayos X en espectroscopia de rayos X de dispersión de energía 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 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. Esta ampliación de líneas espectrales 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 está emitiendo.

Historia

Véase también: Historia de la espectroscopia

Líneas de emisión de gases calientes fueron descubiertas por primera vez por Ångström, y la técnica fue desarrollada por David Alter, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen.

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 un rocío fino. El disolvente se evapora primero, dejando partículas sólidas finamente divididas que se mueven a la región más caliente de la llama donde se producen los átomos y los iones gaseosos. Aquí los electrones se excitan como se describe anteriormente. Es común que se use un monocromador para permitir una fácil detección.

En un nivel simple, la espectroscopia de emisión de llama se puede observar utilizando 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 de los iones de sodio, mientras que los iones de estroncio (que se usan en los destellos de la carretera) los colorearán de rojo. El alambre de cobre creará una llama de color azul, sin embargo, en presencia de cloruro da verde (contribución molecular por CuCl).

Coeficiente de emisión

Véase también: Factor de emisión

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 unidades de ms−3 sr−1.[2]​ También se usa como una medida de las emisiones ambientales (en masa) por MWh de electricidad generada.

Dispersión de la luz

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

Si X dV dΩ dλ es la energía dispersada por un elemento de volumen dV en un ángulo sólido dΩ 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).

Emisión espontánea

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

Véase también

Referencias

  1. Incorporated, SynLube. «Spectroscopy Oil Analysis». www.synlube.com (en inglés). Consultado el 24 de febrero de 2017. 
  2. Carroll, Bradley W. (2007). An introduction to modern astrophysics (2nd ed edición). Pearson Addison-Wesley. p. 256. ISBN 0-8053-0402-9. OCLC 69020924. 

Enlaces externos

  • Espectros de emisión de gases atmosféricos.
  • Datos de referencia física del NIST: bases de datos de espectroscopia atómica
  •   Datos: Q216817

Diciembre 17, 2021
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El espectro de emision de un elemento quimico o compuesto quimico es el espectro de frecuencias de radiacion electromagnetica emitida debido a un atomo o molecula que realiza una transicion de un estado de alta energia a un estado de menor energia La energia fotonica emitida es igual a la diferencia de energia entre los dos estados Hay muchas transiciones de electrones posibles para cada atomo y cada transicion tiene una diferencia de energia especifica Esta coleccion de diferentes transiciones que conducen a diferentes longitudes de onda radiadas conforman un espectro de emision El espectro de emision de cada elemento es unico Por lo tanto la espectroscopia se puede utilizar para identificar los elementos en materia de composicion desconocida De manera similar los espectros de emision de moleculas pueden usarse en el analisis quimico de sustancias Espectro de emision de una lampara de halogenuro metalico Una demostracion de las lineas D de sodio de D2 izquierda de 589 nm y D1 derecha de 590 nm utilizando una mecha con agua salada en una llama Indice 1 Emision 2 Origenes 2 1 Radiacion de las moleculas 3 Espectroscopia de emision 4 Historia 5 Tecnica experimental en espectroscopia de emision de llama 6 Coeficiente de emision 6 1 Dispersion de la luz 6 2 Emision espontanea 7 Vease tambien 8 Referencias 9 Enlaces externosEmision EditarEn fisica la emision es el proceso por el cual un estado mecanico cuantico de mayor energia de una particula se convierte en uno mas bajo a traves de la emision de un foton lo que resulta en la produccion de luz La frecuencia de la luz emitida es una funcion de la energia de la transicion Dado que la energia debe conservarse la diferencia de energia entre los dos estados es igual a la energia que se lleva el foton Los estados energeticos de las transiciones pueden conducir a emisiones en un amplio rango de frecuencias Por ejemplo la luz visible es emitida por el acoplamiento de estados electronicos en atomos y moleculas entonces el fenomeno se llama fluorescencia o fosforescencia Por otro lado las transiciones de cascara nuclear pueden emitir rayos gamma de alta energia mientras que las transiciones de giro nuclear emiten ondas de radio de baja energia La emision de un objeto cuantifica la cantidad de luz que emite Esto puede estar relacionado con otras propiedades del objeto a traves de la ley de Stefan Boltzmann Para la mayoria de las sustancias la cantidad de emision varia con la temperatura y la composicion espectroscopica del objeto lo que lleva a la aparicion de la temperatura de color y las lineas de emision Las mediciones precisas en muchas longitudes de onda permiten la identificacion de una sustancia mediante espectroscopia de emision La emision de radiacion se describe tipicamente usando mecanica cuantica semiclasica los niveles de energia de las particulas y los espaciamientos se determinan a partir de la mecanica cuantica y la luz se trata como un campo electrico oscilante que puede conducir una transicion si esta en resonancia con la frecuencia natural del sistema El problema de la mecanica cuantica se trata utilizando la teoria de la perturbacion dependiente del tiempo y conduce al resultado general conocido como la regla de oro de Fermi La descripcion ha sido sustituida por la electrodinamica cuantica aunque la version semi clasica sigue siendo mas util en los calculos mas practicos Origenes EditarCuando los electrones en el atomo se excitan por ejemplo al calentarse la energia adicional empuja los electrones a orbitales de mayor energia Cuando los electrones vuelven a caer y dejan el estado excitado la energia se vuelve a emitir en forma de foton La longitud de onda o la frecuencia equivalente del foton esta determinada por la diferencia de energia entre los dos estados Estos fotones emitidos forman el espectro del elemento El hecho de que solo aparezcan ciertos colores en el espectro de emision atomica de un elemento significa que solo se emiten ciertas frecuencias de luz Cada una de estas frecuencias esta relacionada con la energia por la formula E foton h n displaystyle E text foton h nu donde E foton displaystyle E text foton es la energia del foton n displaystyle nu es su frecuencia y h displaystyle h es la constante de Planck Esto concluye que solo los fotones con energias especificas son emitidos por el atomo El principio del espectro de emision atomica explica la variedad de colores en letreros de neon asi como los resultados de las pruebas de llama quimica Las frecuencias de luz que un atomo puede emitir dependen de los estados en los que se encuentran los electrones Cuando esta excitado un electron se mueve a un nivel de energia mas alto u orbital Cuando el electron vuelve a su nivel del suelo la luz se emite Espectro de emision de hidrogeno La imagen de arriba muestra el espectro de emision de luz visible para el hidrogeno Si solo estuviera presente un solo atomo de hidrogeno entonces solo se observaria una longitud de onda en un instante dado Se observan varias de las posibles emisiones porque la muestra contiene muchos atomos de hidrogeno que se encuentran en diferentes estados de energia iniciales y alcanzan diferentes estados de energia final Estas diferentes combinaciones conducen a emisiones simultaneas en diferentes longitudes de onda Espectro de emision de hierro Radiacion de las moleculas Editar Ademas de las transiciones electronicas discutidas anteriormente la energia de una molecula tambien puede cambiar a traves de transiciones rotacionales vibracionales y vibronicas combinadas vibratorias y electronicas Estas transiciones de energia a menudo conducen a grupos muy espaciados de muchas lineas espectrales diferentes conocidas como bandas espectrales Los espectros de banda sin resolver pueden aparecer como un continuo espectral Espectroscopia de emision EditarLa luz consiste en radiacion electromagnetica de diferentes longitudes de onda Por lo tanto cuando los elementos o sus compuestos se calientan en una llama o por un arco electrico emiten energia en forma de luz El analisis de esta luz con la ayuda de un espectroscopio nos da un espectro discontinuo Un espectroscopio o un espectrometro 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 lineas llamadas el espectro de lineas Este espectro lineal se denomina espectro atomico cuando se origina a partir de un atomo en forma elemental Cada elemento tiene un espectro atomico diferente La produccion de espectros de linea por los atomos de un elemento indica que un atomo puede irradiar solo una cierta cantidad de energia Esto lleva a la conclusion de que los electrones unidos no pueden tener cualquier cantidad de energia sino solo una cierta cantidad de energia El espectro de emision se puede utilizar para determinar la composicion de un material ya que es diferente para cada elemento de la tabla periodica Un ejemplo es la espectroscopia astronomica identificar la composicion de las estrellas mediante el analisis de la luz recibida Las caracteristicas del espectro de emision 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 solucion de nitrato de estroncio y luego se inserta en una llama los atomos de estroncio emiten un color rojo De manera similar cuando el cobre se inserta en una llama la llama se vuelve verde Estas caracteristicas definidas permiten identificar los elementos por su espectro de emision atomica No todas las luces emitidas son perceptibles a simple vista ya que el espectro tambien incluye los rayos ultravioleta y la iluminacion infrarroja Una emision se forma cuando un gas excitado se ve directamente a traves de un espectroscopio Diagrama esquematico de la emision espontanea La espectroscopia de emision es una tecnica espectroscopica que examina las longitudes de onda de los fotones emitidos por los atomos o moleculas durante su transicion de un estado excitado a un estado de menor energia Cada elemento emite un conjunto caracteristico de longitudes de onda discretas de acuerdo con su estructura electronica y al observar estas longitudes de onda se puede determinar la composicion elemental de la muestra La espectroscopia de emision se desarrollo a fines del siglo XIX y los esfuerzos en la explicacion teorica de los espectros de emision atomica condujeron finalmente a la mecanica cuantica Hay muchas maneras en que los atomos pueden ser llevados a un estado excitado La interaccion con la radiacion electromagnetica se utiliza en espectroscopia de fluorescencia protones u otras particulas mas pesadas en la emision de rayos X inducida por particulas y electrones o fotones de rayos X en espectroscopia de rayos X de dispersion de energia o fluorescencia de rayos X El metodo mas simple es calentar la muestra a una temperatura alta despues de lo cual las excitaciones se producen por colisiones entre los atomos de la muestra Este metodo se utiliza en la espectroscopia de emision de llama y tambien fue el metodo utilizado por Anders Jonas Angstrom cuando descubrio el fenomeno de las lineas de emision discretas en la decada de 1850 1 Aunque las lineas de emision son causadas por una transicion entre estados de energia cuantificados y pueden parecer muy nitidas al principio tienen un ancho finito es decir estan compuestas por mas de una longitud de onda de luz Esta ampliacion de lineas espectrales tiene muchas causas diferentes La espectroscopia de emision a menudo se denomina espectroscopia de emision optica debido a la naturaleza luminosa de lo que se esta emitiendo Historia EditarVease tambien Historia de la espectroscopia Lineas de emision de gases calientes fueron descubiertas por primera vez por Angstrom y la tecnica fue desarrollada por David Alter Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen Tecnica experimental en espectroscopia de emision de llama EditarLa solucion que contiene la sustancia relevante a analizar se introduce en el quemador y se dispersa en la llama como un rocio fino El disolvente se evapora primero dejando particulas solidas finamente divididas que se mueven a la region mas caliente de la llama donde se producen los atomos y los iones gaseosos Aqui los electrones se excitan como se describe anteriormente Es comun que se use un monocromador para permitir una facil deteccion En un nivel simple la espectroscopia de emision de llama se puede observar utilizando solo una llama y muestras de sales metalicas Este metodo de analisis cualitativo se llama prueba de llama Por ejemplo las sales de sodio colocadas en la llama brillaran de color amarillo de los iones de sodio mientras que los iones de estroncio que se usan en los destellos de la carretera los colorearan de rojo El alambre de cobre creara una llama de color azul sin embargo en presencia de cloruro da verde contribucion molecular por CuCl Coeficiente de emision EditarVease tambien Factor de emision El coeficiente de emision es un coeficiente en la potencia de salida por unidad de tiempo de una fuente electromagnetica un valor calculado en fisica El coeficiente de emision de un gas varia con la longitud de onda de la luz Tiene unidades de ms 3 sr 1 2 Tambien se usa como una medida de las emisiones ambientales en masa por MWh de electricidad generada Dispersion de la luz Editar En la dispersion de Thomson una particula cargada emite radiacion bajo la luz incidente La particula puede ser un electron atomico ordinario por lo que los coeficientes de emision tienen aplicaciones practicas Si X dV dW dl es la energia dispersada por un elemento de volumen dV en un angulo solido dW entre las longitudes de onda l y l dl por unidad de tiempo entonces el coeficiente de emision es X Los valores de X en la dispersion de Thomson se pueden predecir a partir del flujo incidente la densidad de las particulas cargadas y su seccion transversal diferencial de Thomson area angulo solido Emision espontanea Editar Un cuerpo calido que emite fotones tiene un coeficiente de emision monocromatico relacionado con su temperatura y la radiacion de potencia total Esto a veces se denomina segundo coeficiente de Einstein y puede deducirse de la teoria de la mecanica cuantica Vease tambien EditarEspectroscopia de absorcion Linea espectral atomica Espectroscopia electromagnetica Lineas de Fraunhofer Lampara de descarga Cambio isomerico Cambio isotopico Coeficiente luminoso Formula de Rydberg Linea espectral Teoria espectral La ecuacion de diodo incluye el coeficiente de emision Emision termoionicaReferencias Editar Incorporated SynLube Spectroscopy Oil Analysis www synlube com en ingles Consultado el 24 de febrero de 2017 Carroll Bradley W 2007 An introduction to modern astrophysics 2nd ed edicion Pearson Addison Wesley p 256 ISBN 0 8053 0402 9 OCLC 69020924 Enlaces externos EditarEspectros de emision de gases atmosfericos Datos de referencia fisica del NIST bases de datos de 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