Espectro de emisión

En física, la emisión es el proceso por el cual una partícula en un estado mecánico cuántico de mayor energía se convierte a un estado de menor energía mediante la emisión de un fotón, lo que resulta en la producción de luz.^[3] 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.^[4] Los estados energéticos de las transiciones pueden producir emisiones en un amplio rango de frecuencias. Por ejemplo, la luz visible es emitida por el acoplamiento de estados electrónicos en átomos y moléculas (fenómeno denominado 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.^[5]

La emisión de un objeto cuantifica la cantidad de luz que emite. Esta propiedad puede relacionarse con otras propiedades del objeto a través de la ley de Stefan-Boltzmann.^[6] Para la mayoría de las sustancias, la cantidad de emisión varía con la temperatura y la composición espectroscópica del objeto, lo que da lugar a los conceptos de temperatura de color y líneas de emisión. Las mediciones precisas en múltiples longitudes de onda permiten la identificación de una sustancia mediante espectroscopia de emisión.^[7]

La emisión de radiación se describe típicamente utilizando mecánica cuántica semiclásica: los niveles de energía de las partículas y sus espaciamientos se determinan a partir de la mecánica cuántica, y la luz se trata como un campo eléctrico oscilante que puede inducir una transición si está en resonancia con la frecuencia natural del sistema. El problema de la mecánica cuántica se aborda utilizando la teoría de la perturbación dependiente del tiempo y conduce al resultado general conocido como la regla de oro de Fermi.^[4] Esta descripción ha sido reemplazada por la electrodinámica cuántica, aunque la versión semiclásica sigue siendo más útil en cálculos prácticos.^[8]

Cuando los electrones en el átomo se excitan (por ejemplo, mediante calentamiento), la energía adicional desplaza los electrones a orbitales de mayor energía. Cuando los electrones vuelven a caer y abandonan el estado excitado, la energía se reemite en forma de fotón.^[1] La longitud de onda (o la frecuencia equivalente) del fotón está determinada por la diferencia de energía entre los dos estados. Estos fotones emitidos constituyen el espectro del elemento.^[9]

El hecho de que solo aparezcan ciertos colores en el espectro de emisión atómica de un elemento significa que solo se emiten frecuencias específicas de luz. Cada una de estas frecuencias está relacionada con la energía mediante la fórmula:^[10]

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

donde ${\displaystyle E_{\text{fotón}}}$ es la energía del fotón, ${\displaystyle \nu }$ es su frecuencia y ${\displaystyle h}$ es la constante de Planck.^[11] Esto implica que el átomo solo puede emitir fotones con energías específicas. El principio del espectro de emisión atómica explica la variedad de colores en los letreros de neón, así como los resultados de las pruebas de llama químicas.^[12]

Las frecuencias de la 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 superior u orbital. Cuando el electrón regresa a su nivel fundamental (estado basal), se emite luz.^[13]

La imagen superior 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 finales. Estas diferentes combinaciones conducen a emisiones simultáneas en diferentes longitudes de onda.^[14]

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 mediante un arco eléctrico, emiten energía en forma de luz. El análisis de esta luz, con la ayuda de un espectroscopio, produce 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 como una serie de líneas, denominado espectro de líneas. Este espectro lineal se denomina espectro atómico cuando se origina a partir de un átomo en su forma elemental. Cada elemento posee un espectro atómico diferente.^[7] La producción de espectros de líneas por los átomos de un elemento indica que un átomo solo puede irradiar una cierta cantidad de energía. Esto lleva a la conclusión de que los electrones ligados no pueden tener cualquier cantidad de energía, sino solo ciertos niveles discretos de energía.^[1]

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.^[16] Las características del espectro de emisión de algunos elementos son claramente visibles a simple vista cuando estos elementos se calientan. Por ejemplo, cuando un alambre de platino se sumerge en una solución de nitrato de estroncio y luego se introduce en una llama, los átomos de estroncio emiten un color rojo. De manera similar, cuando el cobre se introduce 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 radiación ultravioleta e infrarroja. Una emisión se produce cuando un gas excitado se observa directamente a través de un espectroscopio.^[12]

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 desde un estado excitado a un estado de menor energía.^[12] Cada elemento emite un conjunto característico de longitudes de onda discretas de acuerdo con su estructura electrónica, y mediante la observación de 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 por explicar teóricamente los espectros de emisión atómica condujeron finalmente al desarrollo de la mecánica cuántica.^[17]

Existen muchas formas de llevar los átomos a un estado excitado. La interacción con la radiación electromagnética se utiliza en la espectroscopia de fluorescencia; los protones u otras partículas más pesadas en la emisión de rayos X inducida por partículas; y los electrones o fotones de rayos X en la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía o en la fluorescencia de rayos X.^[18] El método más simple es calentar la muestra a una temperatura alta, tras 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 fue el método empleado por Anders Jonas Ångström cuando descubrió el fenómeno de las líneas de emisión discretas en la década de 1850.^[19]

Aunque las líneas de emisión son causadas por transiciones entre estados de energía cuantizados y pueden parecer muy nítidas, tienen un ancho finito, es decir, están compuestas por más de una longitud de onda de luz. Esta ampliación de las líneas espectrales tiene múltiples causas diferentes.^[20]

La espectroscopia de emisión a menudo se denomina espectroscopia de emisión óptica debido a la naturaleza luminosa de lo que se está emitiendo.

Las 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.^[21]

La solución que contiene la sustancia 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 desplazan hacia la región más caliente de la llama, donde se producen átomos e iones gaseosos. Allí, los electrones se excitan como se describió anteriormente. Es común el uso de un monocromador para facilitar la detección.^[12]

A nivel básico, la espectroscopia de emisión de llama se puede observar utilizando únicamente una llama y muestras de sales metálicas. Este método de análisis cualitativo se denomina prueba de llama. Por ejemplo, las sales de sodio puestas en la llama brillarán en color amarillo debido a los iones de sodio, mientras que los iones de estroncio (utilizados en las bengalas de carretera) colorearán la llama de rojo. El alambre de cobre produce una llama de color azul; sin embargo, en presencia de cloruro, adquiere un color verde (contribución molecular del CuCl).^[22]

El coeficiente de emisión es un coeficiente que representa 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 m⁻³·sr⁻¹.^[16] También se utiliza como una medida de las emisiones ambientales (en masa) por MWh de electricidad generada.

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