Espectroscopia

    La espectroscopia es una disciplina científica y técnica que se dedica al estudio y la identificación de los átomos y las moléculas a partir de las características de sus espectros electromagnéticos. En un principio se utilizó para analizar las propiedades de los distintos colores que aparecen al hacer pasar luz natural visible a través de un prisma. Esta base se ha aplicado después al estudio de las diversas regiones de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio al infrarrojo, la luz visible, el ultravioleta o los rayos gamma.

    Para entender los fundamentos de la espectroscopia es preciso definir primero lo que, en física y química, se entiende por espectro. Desde antiguo es bien sabido que cuando la luz blanca atraviesa en un cierto ángulo determinados materiales como, por ejemplo, un prisma, produce al salir una luz irisada, dividida en los distintos colores del arco iris. Este fenómeno se explica por el hecho de que la luz natural (o “luz blanca”) contiene en realidad un conjunto combinado de frecuencias (“colores”). Al atravesar el prisma, la luz se desvía (en términos físicos, se refracta), pero esta refracción tiene lugar en un ángulo distinto para cada frecuencia constituyente. Por eso aparecen distintas franjas de luz, cada una de un color, de la misma forma que sucede en la naturaleza cuando la luz solar atraviesa la cortina de agua de la lluvia.

    En sus estudios sobre óptica, el físico alemán Joseph von Fraunhofer realizó en 1814 un descubrimiento muy interesante. Observó que, si en el experimento de descomposición de la luz en colores se utilizaban prismas con suficiente poder de refracción, en el espectro irisado que se obtenía aparecían numerosas rayas horizontales, que reciben el nombre de líneas espectrales. Este hallazgo no pudo explicarse satisfactoriamente hasta que, unas décadas más tarde, se ampliaron los conocimientos sobre la naturaleza íntima de la materia.

    Los avances de la química y la mecánica cuántica han permitido interpretar el fenómeno de la luz desde una nueva perspectiva. La radiación electromagnética, de la cual la luz visible es tan solo la parte de la misma que es perceptible para la vista humana, puede considerarse un fenómeno ondulatorio. Al mismo tiempo, se describe también como un flujo de unas partículas elementales llamadas fotones. En la química ordinaria, los fotones son emitidos y absorbidos por los átomos cuando los electrones que éstos contienen cambian de nivel orbital dentro de su configuración electrónica. Si un átomo absorbe un fotón, gana energía y se excita; cuando emite un fotón, pierde la energía que le corresponde a esta partícula.

    En los átomos no son posibles todas las transiciones de energía. Sólo se producen aquéllas que son permitidas para que los electrones cambien de un nivel a otro dentro de su configuración. Según la química actual, se dice que las transiciones electrónicas en los átomos están cuantizadas: únicamente se producen para ciertos valores de energía, que están relacionados con la frecuencia característica de los fotones que intervienen.

    Las distancias entre los niveles energéticos son diferentes en cada elemento químico. De este modo, la frecuencia de los fotones que se emiten o se absorben en los cambios cuantizados de nivel es propia y característica de cada átomo. El interés de la espectroscopia reside en que cada una de las rayas observadas en la descomposición de la luz es característica y singular de un elemento concreto del sistema periódico. Dicho de otro modo, si se mide la frecuencia de una radiación (por ejemplo, una línea en el espectro) se sabrá qué tipo de átomo (o molécula, como combinación de átomos) ha emitido o absorbido el fotón asociado.

    En espectroscopia, las franjas de luz se estudian en bandas en secuencia en las que se distribuyen las distintas frecuencias (o magnitudes relacionadas, como la energía o la longitud de onda) de la radiación. Si se analiza luz emitida, las franjas son más luminosas que el fondo, y el espectro se dice de emisión. Por su parte, en los espectros de absorción (energía absorbida por los átomos), las rayas observadas en la distribución son más oscuras que la base luminosa. Sin embargo, los dos tipos de espectros, de absorción y emisión, son equivalentes en su distribución de líneas espectrales para cada átomo o sustancia.

    El estudio de los espectros de luz tiene un interés extraordinario para la ciencia y la tecnología. Por ejemplo, en astronomía es posible conocer la composición de la atmósfera de las estrellas si se estudian sus espectros de absorción: sobre el fondo de luz emitido por el núcleo de la estrella resaltan líneas oscuras que corresponden a la energía que ha sido absorbida por las capas externas del astro. Por ejemplo, si existe una raya oscura correspondiente al sodio, será indicio de que en la atmósfera de la estrella hay átomos de sodio, porque absorben luz a esa frecuencia. La intensidad de esta línea permite calcular la abundancia del elemento en cuestión en dicha atmósfera.

    Históricamente, las técnicas espectroscópicas sirvieron en un principio para descubrir nuevos átomos. Si se vaporizaban muestras de minerales a la llama y se hacía pasar la luz emitida a través de un prisma, aparecían las líneas espectrales correspondientes a las distintas sustancias manejadas. En ocasiones aparecía una línea nueva, en un lugar inesperado del espectro, lo que llevaba a sospechar la existencia de elementos hasta entonces desconocidos. Con este procedimiento se identificaron por primera vez átomos como el rubidio y el cesio.

    En la actualidad, los dispositivos utilizados en espectroscopia son complejos y versátiles. Se denominan espectrómetros y miden las características de la luz emitida, absorbida o dispersada por muestras de átomos o moléculas. Cuando el análisis se limita a la luz de la zona visible del espectro electromagnético, este instrumento recibe el nombre particular de espectrofotómetro. Los espectrógrafos permiten además registrar fotográficamente las distintas secuencias espectrales. Todos estos instrumentos se utilizan de forma habitual en el análisis químico, la física nuclear o la medicina, entre otros muchos ámbitos.