Espectroscopia FÍS.

Categoria:

Física

Del latín spectrum (imagen) y del griego skopeio (observar). Es la parte de la Física que estudia los espectros (v.). Aunque actualmente el concepto espectro se ha extendido a campos muy diversos, incluso fuera de la Física, cuando se habla simplemente de E. se sobrentiende que se alude al estudio del espectro electromagnético. Por tal motivo, la E. recibe diversos calificativos, según la región del espectro a que se refiere: E. gamma, de rayos X (v.), ultravioleta, visible, infrarroja, de microondas, de ondas de radio. En cada uno de estos sectores, la E. encuentra unas aplicaciones características, teniendo en cuenta los agentes responsables de los correspondientes espectros.

Históricamente hay que remontarse a los tiempos de Newton, verdadero padre de la E., aunque, en realidad, sólo se comprendió la importancia y posibilidades de esta disciplina después de los trabajos de Fraunhofer y, principalmente, de Bunsen y Kirchhoff. Ellos construyeron el primer espectroscopio realmente útil y, con su aplicación al análisis de materiales diversos, demostraron todo el poder de esta técnica.

División. Espectroscopia gamma. Esta parte de la E. estudia los espectros de radiación gamma (V. RADIACTIVIDAD) producidos por los cambios energéticos que tienen lugar en el interior de los núcleos (v.) atómicos. Por tanto, este tipo de E. tiene su principal aplicación en el estudio de la estructura y propiedades de dichos núcleos. Actualmente, y gracias al descubrimiento del llamado efecto Mdssbauer, estas aplicaciones se han extendido al estudio del estado sólido, toda vez que se ha comprobado que los espectros, debido a este efecto, no son afectados por los átomos vecinos y permiten estudiar propiedades generales de todos los núcleos que componen un material sólido.

Espectroscopia de rayos X. Esta rama de la E. estudia los espectros producidos cuando los electrones (v.) componentes de las capas internas de los átomos cambian sus estados cuánticos de energía (V. ÁTOMO II). El estudio espectroscópico de estos cambios permite averiguar la estructura y energía de esas capas internas de los electrones atómicos, y también puede aplicarse a problemas de reconocimiento analítico de sustancias, toda vez que el espectro de rayos X, como en general todos los espectros electromagnéticos de las sustancias, son una característica muy típica de las mismas. En este campo merece recordarse la relación encontrada por Moseley en 1912 entre la frecuencia de la radiación X absorbida por un átomo y su posición en el Sistema periódico de los elementos químicos (v.), lo que permitió descubrir el llamado número atómico y sentar las bases para una mejor comprensión de la estructura de la materia.

Espectroscopia visible y ultravioleta. Indudablemente esta parte de la E. es la que más amplia difusión y un mayor número de aplicaciones ha encontrado. Por una parte, los comienzos de la E. fueron en la zona visible, por ser la única para la que se disponía de medios de observación, y, en segundo lugar, porque la información que contienen los espectros visibles y ultravioletas es tan grande, que no es de extrañar que la E. se haya desarrollado fundamentalmente apoyándose en estas dos regiones. Los espectros visibles y ultravioletas se producen como consecuencia de transiciones entre distintos estados de energía de los electrones que constituyen los átomos y las moléculas, y como, al mismo tiempo, estos electrones son los responsables de las propiedades y características químicas de estas sustancias, toda esta información es siempre de un indudable interés. Puede decirse que, desde principios del s. xx, prácticamente todos los avances fundamentales realizados en el campo de la Física atómica y molecular se han apoyado de un modo más o menos directo en la Espectroscopia.

En el campo atómico pueden distinguirse tres fases bien definidas en las aplicaciones de la E. al conocimiento de la estructura de la materia. En primer lugar, la época de las "series espectrales"; más tarde la era de los multipletes, y, por último, la de interpretación de espectros muy complejos. Cada una de estas épocas va unida a un nombre especialmente famoso. Niels Bohr (v.) representa el máximo exponente de la primera época, toda vez que, si bien las series espectrales fueron descubiertas y estudiadas empíricamente por Balmer, Paschen y otros, se debe a Bohr la gloria de haber relacionado directamente estas series con la estructura atómica, dando su modelo del átomo de hidrógeno en perfecto acuerdo con la estructura del correspondiente espectro observado en forma de series. Miguel A. Catalán (v.) descubrió en 1922 que los espectros de los átomos con varios electrones de valencia, junto a las series espectrales, presentaban grupos de líneas a las que se podía atribuir un origen común, tenían características semejantes y mostraban entre ellas relaciones perfectamente reconocibles. A estos grupos de líneas los denominó multipletes, y Sommerfeld demostró que se deben a transiciones entre estados electrónicos múltiples, producidos por la diversidad de estados cuánticos que pueden adquirir esos átomos. Este descubrimiento resultó equivalente al de Bohr, en cuanto permitió estudiar y explicar con detalle la estructura de los átomos mucho más complejos que el del hidrógeno y el de los elementos alcalinos, que eran los únicos que la teoría de Bohr explicaba satisfactoriamente, y dio gran impulso a la E. atómica, de tal modo que ha permitido determinar prácticamente la estructura electrónica de todos los átomos conocidos.

Por último, Giulio Racah, desde el punto de vista teórico, revolucionó la E. a partir de 1940 al demostrar que era posible calcular teóricamente, con bastante aproximación, la energía de los diversos estados electrónicos de cualquier átomo por complejo que fuera, lo que a su vez permite predecir su espectro y, por tanto, ha posibilitado extender las investigaciones espectroscópicas a átomos tales como las llamadas tierras raras y elementos transuránidos, que, desde un punto de vista simplemente empírico, eran inabordables en la práctica.

Paralelamente a los avances de la E. atómica, también la Física molecular ha obtenido gran ayuda de la E. visible y ultravioleta para su desarrollo. Del mismo modo que en el campo atómico el primer triunfo debe considerarse la interpretación del espectro del átomo de hidrógeno, en el molecular la molécula del mismo elemento fue el primer problema que se resolvió con éxito, gracias en primer lugar, a las ideas de Heitler y London, que permitieron explicar teóricamente el espectro de dicha moléculas. Posteriormente esta rama de la E. molecular se ha extendido a moléculas más complicadas y puede decirse que siempre es la E. la técnica científica en la que se basan las teorías de la estructura molecular. Como en la zona visible y ultravioleta del espectro se observan transiciones moleculares debidas a cambios de energía electrónica asociada a cambios de energía vibracional y rotacional de las moléculas, esta parte de la E. es la que, en teoría, puede proporcionar más información para este tipo de estudios, pero, al mismo tiempo, su complejidad hace que su uso se limite a las moléculas más sencillas, de dos átomos principalmente.

Espectroscopia infrarroja y Raman. La E. en la región infrarroja es fundamentalmente E. molecular. Aunque las transiciones electrónicas entre estados de energía atómicos pueden dar lugar también a espectros en esta región, la información que suministran es semejante a la obtenida en la región ultravioleta y visible y, en general, tiene poca utilidad. En cambio, la E. molecular infrarroja tiene grandes aplicaciones, porque los espectros que se estudian son debidos únicamente a variaciones energéticas causadas por las vibraciones y rotaciones moleculares, lo que simplifica mucho su interpretación, al eliminar el efecto debido a los saltos electrónicos que caracterizan a los espectros visibles y ultravioletas. Estas transiciones que se pueden estudiar por medio de la E. infrarroja, se refieren siempre al llamado estado fundamental de la molécula, es decir, al estado en que la molécula se encuentra normalmente, y, por tanto, la información obtenida es siempre muy útil para conocer las propiedades y características de las moléculas, precisamente en ese estado normal. Una peculiaridad importante de los espectros infrarrojos es que las moléculas complicadas dan lugar a bandas en el espectro que son características de ciertos grupos atómicos y, por tanto, permiten llevar a cabo determinaciones estructurales de moléculas muy grandes, basándose en los datos obtenidos a partir de moléculas más sencillas.

Aunque la técnica es distinta, la E. Raman es una rama de la E. prácticamente gemela de la infrarroja. También el espectro Raman da información sobre las transiciones entre estados vibracionales y rotacionales de las moléculas en su estado normal y, por tanto, los datos obtenidos son un valioso complemento de los proporcionados por la E. infrarroja, para interpretar estructuras y propiedades moleculares.

Espectroscopia de microondas. La E. molecular se simplifica a medida que se desplaza a regiones de longitud de onda más larga. Hemos visto cómo en el ultravioleta y visible los espectros son complejos, debido al efecto conjunto de las transiciones electrónicas, vibracionales y rotacionales. El espectro infrarrojo es ya más sencillo porque sólo lo producen los cambios de vibración-rotación, y, por último, en la región de las microondas las transiciones que dan lugar a espectro están ligadas únicamente a cambios en la energía de rotación molecular. Son, por tanto, espectros más sencillos y su interpretación, que constituye el tema de la E. de microondas, aporta, sobre todo, datos de interés respecto a la distancia internuclear entre los átomos constituyentes de una molécula, así como a su momento de inercia (v. DINÁMICA), y, por tanto, a su masa.

Espectroscopia de ondas de radio. Continuando la gama del espectro se llega a la región de las ondas de radio, donde la E. propiamente dicha tiene pocas aplicaciones. Puede incluirse en este apartado la E. radioastronómica, aunque en realidad está más bien aún en el límite de las microondas, pero acostumbra a denominarse radioespectroscopia. Tiene especial interés para el estudio de la radiación de longitud de onda relativamente grande, emitida por objetos estelares y que, en ocasiones, ha permitido detectar objetos aun situados a distancias inasequibles para los telescopios ópticos (v. RADIOASTRONOMíA).

Espectroscopia instrumental. Según la zona del espectro estudiada, los instrumentos espectroscópicos utilizados varían considerablemente. La E. gamma utiliza sobre todo espectrómetros, que son instrumentos provistos de un medio dispersor de las radiaciones y de un detector para medirlas. En el campo de los rayos X y los espectros visibles y ultravioleta, se utiliza, sobre todo, el espectrógrafo que consta del medio dispersor y utiliza la placa fotográfica como elemento registrador. Los espectros infrarrojos se estudian, normalmente, con espectrofotómetros, que son aparatos registradores provistos de detectores fotoeléctricos, etc. Como ejemplos típicos pueden citarse los espectrógrafos de prisma y de red, que son la base de los demás instrumentos. Un espectrógrafo de prisma consta, fundamentalmente (fig. 1), de una rendija, un sistema colimador, el medio dispersivo (un prisma), que se construye de material diverso según la zona del espectro que se quiera estudiar, siendo los materiales más usuales el cuarzo para el ultravioleta, el vidrio para el visible y el cloruro sódico para el infrarrojo, y un sistema condensador que enfoca el espectro sobre una placa fotográfica.

Los espectrógrafos de red se construyen con redes de reflexión, planas o cóncavas; en la fig. 2 se presenta un esquema de un montaje típico utilizando red cóncava. La red actúa al mismo tiempo como elemento dispersivo y como condensador, eliminando así el pasq de la radiación a través de algún material óptico, por lo que se eliminan los problemas de absorción y, por tanto, con una misma red se puede estudiar una región mucho más amplia del espectro.

Los espectrofotómetros son aparatos mucho más complejos en los que, junto a los componentes propiamente espectroscópicos, existe un complicado dispositivo electrónico para registro, desplazamiento de alguna de las partes ópticas, etc.

Otras aplicaciones. Al describir las distintas ramas de la E., se han ido indicando sus aplicaciones a problemas fundamentales de la estructura de la materia. Modernamente esta rama de la Ciencia ha invadido gran número de campos afines, extendiéndose considerablemente sus aplicaciones.

En primer lugar, constituye una rama prácticamente propia la llamada espectroquímica, que utiliza los espectros de emisión de los metales para llevar a cabo análisis químicos. Esta aplicación, que constituyó uno de los primeros éxitos de la E. al demostrar la existencia de elementos químicos iguales que los terrestres primero en el Sol y, más tarde, en otros objetos celestes, y al descubrir elementos desconocidos apoyándose en su espectro (el gas noble helio, p. ej.), se ha desarrollado muy considerablemente. Hoy en día todas las grandes industrias metalúrgicas poseen espectrógrafos y espectrómetros especialmente diseñados para este tipo de estudios, alguno de ellos completamente automático (el cuantómetro) y otros utilizando nuevas técnicas de producción del espectro, especialmente aptas para problemas industriales. Entre estas técnicas merece mención especial la llamada E. de absorción atómica que, aprovechando la absorción selectiva de radiación por los átomos del metal que se quiere investigar, permite llevar a cabo análisis muy precisos de elementos químicos, aun en mezclas muy complejas.

En Astrofísica, no sólo el análisis de la composición de las estrellas y otros objetos es resultado de la técnica espectroscópica. También se determinan las temperaturas estelares, sus distancias a la Tierra y movimiento relativo de la misma, utilizando fenómenos espectroscópicos tales como el efecto Doppler (v.), que relaciona el corrimiento de rayas espectrales de un átomo con la velocidad con que dicho átomo se mueve, etc. En Física fundamental, el estudio de efectos especiales en los espectros, tales como el efecto de un campo magnético (efecto Zeeman) o de un campo eléctrico (efecto Stark), permite determinar con más detalle las propiedades de los átomos y su constitución; y otros efectos aparentemente secundarios, como el llamado desplazamiento Lamb de las rayas espectrales, permiten comprobar los detalles más finos de las teorías físicas, atómicas y, en particular, la aplicación de la electrodinámica cuántica a corregir las predicciones de las Mecánicas ondulatorias y relativista aplicadas a la estructura atómica. También en Química se aprovechan las investigaciones de la E. para determinar las características de los enlaces químicos, mecanismo de las reacciones químicas, formación y existencia de especies químicas de vida efímera -los denominados radicales libres- y otras aplicaciones de carácter fundamental. Y en la vida moderna las técnicas espectroscópicos se aplican a cuestiones tan diversas como la determinación de la edad de un mineral, el autor de un cuadro antiguo, o la identidad de un criminal.

V. t.: ELECTRÓN; RAYOS ULTRAVIOLETA E INFRARROJO; ÁTOMO; MOLÉCULA; Luz; RADIOASTRONOMíA.

R. VELASCO FERRÉ.

BIBL.: Spectroscopie I y II en Handbuch der physik, ed. SPRINGER, XXVII (Berlín (1964) y XXVIII (Berlín 1957); G. R. HARRISON, R. C. LORD y J. R. Lo0FBOUROUROW, Practica! spectroscopy, Nueva York 1948; W. R. BRODE, Chemical spectroscopy, Nueva York 1952; H. BOMKE, Wakuumspectroscopie, Berlín 1937; W. GORDY, Microwave spectroscopy, Nueva York 1953; C. E. MELOAN, Elementary infrared spectroscopy, Nueva York 1963; W. OTTING, Der raman effect und seine analytische anwendung, Berlín 1952; A. D. Tx..4CKERAY, Astronomical Spectroscopy, Londres 1961.