Espectros de línea: este es quizás uno de los temas importantes que se consideran en el curso de física de octavo grado en la sección de óptica. Es importante porque nos permite comprender la estructura atómica, así como utilizar este conocimiento para estudiar nuestro Universo. Consideremos este tema en el artículo.
El concepto de espectro electromagnético
Primero que nada, expliquemos de qué tratará el artículo. Todo el mundo sabe que la luz del sol que vemos son ondas electromagnéticas. Cualquier onda se caracteriza por dos parámetros importantes: su longitud y frecuencia (su tercera propiedad, no menos importante, es la amplitud, que refleja la intensidad de la radiación).
En el caso de la radiación electromagnética, ambos parámetros están relacionados en la siguiente ecuación: λν=c, donde las letras griegas λ (lambda) y ν (nu) suelen denotar la longitud de onda y su frecuencia, respectivamente, yc es la velocidad de la luz. Dado que este último es un valor constante para el vacío, la longitud y la frecuencia de las ondas electromagnéticas son inversamente proporcionales entre sí.
Se acepta el espectro electromagnético en la físicanombre el conjunto de diferentes longitudes de onda (frecuencias) que son emitidas por la fuente de radiación correspondiente. Si la sustancia absorbe, pero no emite ondas, entonces se habla de adsorción o espectro de absorción.
¿Qué son los espectros electromagnéticos?
En general, existen dos criterios para su clasificación:
- Por frecuencia de radiación.
- Según el método de distribución de frecuencias.
No nos detendremos en la consideración del 1er tipo de clasificación en este artículo. Aquí solo diremos brevemente que existen ondas electromagnéticas de altas frecuencias, que se denominan radiación gamma (>1020 Hz) y rayos X (1018 -10 19 Hz). El espectro ultravioleta ya es de frecuencias más bajas (1015-1017 Hz). El espectro visible u óptico se encuentra en el rango de frecuencia 1014 Hz, que corresponde a un conjunto de longitudes de 400 µm a 700 µm (algunas personas son capaces de ver un poco "más amplio": de 380 µm a 780 µm). Las frecuencias más bajas corresponden al espectro infrarrojo o térmico, así como a las ondas de radio, que ya pueden tener varios kilómetros de longitud.
Más adelante en el artículo, veremos más de cerca el segundo tipo de clasificación, que se indica en la lista anterior.
Espectros de emisión lineal y continua
Absolutamente cualquier sustancia, si se calienta, emitirá ondas electromagnéticas. ¿Qué frecuencias y longitudes de onda serán? La respuesta a esta pregunta depende del estado de agregación de la sustancia en estudio.
Líquidos y sólidos emiten, por regla general, un conjunto continuo de frecuencias, es decir, la diferencia entre ellos es tan pequeña que podemos hablar de un espectro continuo de radiación. A su vez, si se calienta un gas atómico que tiene bajas presiones, comenzará a "brillar", emitiendo longitudes de onda estrictamente definidas. Si estos últimos se revelan en película fotográfica, serán líneas estrechas, cada una de las cuales es responsable de una frecuencia específica (longitud de onda). Por lo tanto, este tipo de radiación se denominó espectro de emisión lineal.
Entre línea y continuo hay un tipo de espectro intermedio, que normalmente emite un gas molecular en lugar de atómico. Este tipo son bandas aisladas, cada una de las cuales, cuando se examina en detalle, consta de líneas estrechas separadas.
Espectro de absorción lineal
Todo lo dicho en el párrafo anterior se refería a la radiación de ondas por la materia. Pero también tiene absorbencia. Realicemos el experimento habitual: tomemos un gas atómico descargado en frío (por ejemplo, argón o neón) y dejemos que la luz blanca de una lámpara incandescente lo atraviese. Después de eso, analizamos el flujo de luz que pasa a través del gas. Resulta que si este flujo se descompone en frecuencias individuales (esto se puede hacer usando un prisma), aparecen bandas negras en el espectro continuo observado, lo que indica que estas frecuencias fueron absorbidas por el gas. En este caso, se habla de un espectro de absorción lineal.
A mediados del siglo XIX. Científico alemán llamado GustavKirchhoff descubrió una propiedad muy interesante: notó que los lugares donde aparecen líneas negras en el espectro continuo corresponden exactamente a las frecuencias de la radiación de una sustancia dada. Actualmente, esta característica se denomina ley de Kirchhoff.
Serie Balmer, Liman y Pashen
Desde finales del siglo XIX, los físicos de todo el mundo han tratado de comprender cuáles son los espectros lineales de radiación. Se encontró que cada átomo de un elemento químico dado bajo cualquier condición exhibe la misma emisividad, es decir, emite ondas electromagnéticas de solo frecuencias específicas.
Los primeros estudios detallados de este tema fueron realizados por el físico suizo Balmer. En sus experimentos, utilizó gas hidrógeno calentado a altas temperaturas. Dado que el átomo de hidrógeno es el más simple de todos los elementos químicos conocidos, es más fácil estudiar las características del espectro de radiación en él. Balmer obtuvo un resultado asombroso, que escribió con la siguiente fórmula:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Aquí λ es la longitud de la onda emitida, RH - algún valor constante, que para el hidrógeno es igual a 1, 097107 m -1, n es un número entero a partir de 3, es decir, 3, 4, 5, etc.
Todas las longitudes λ, que se obtienen a partir de esta fórmula, se encuentran dentro del espectro óptico visible para los humanos. Esta serie de valores de λ para el hidrógeno se denomina espectroBalmer.
Posteriormente, utilizando el equipo adecuado, el científico estadounidense Theodore Liman descubrió el espectro ultravioleta del hidrógeno, que describió con una fórmula similar a la de Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Finalmente, otro físico alemán, Friedrich Paschen, obtuvo una fórmula para la emisión de hidrógeno en la región infrarroja:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Sin embargo, solo el desarrollo de la mecánica cuántica en la década de 1920 podría explicar estas fórmulas.
Rutherford, Bohr y el modelo atómico
En la primera década del siglo XX, Ernest Rutherford (físico británico de origen neozelandés) realizó numerosos experimentos para estudiar la radiactividad de varios elementos químicos. Gracias a estos estudios nació el primer modelo del átomo. Rutherford creía que este "grano" de materia consiste en un núcleo eléctricamente positivo y electrones negativos que giran en sus órbitas. Las fuerzas de Coulomb explican por qué el átomo "no se deshace", y las fuerzas centrífugas que actúan sobre los electrones son la razón por la que estos últimos no caen en el núcleo.
Todo parece lógico en este modelo, excepto un pero. El hecho es que cuando se mueve a lo largo de una trayectoria curvilínea, cualquier partícula cargada debe irradiar ondas electromagnéticas. Pero en el caso de un átomo estable, este efecto no se observa. ¿Entonces resulta que el modelo en sí está mal?
Se le hicieron las modificaciones necesariasotro físico es el danés Niels Bohr. Estas enmiendas ahora se conocen como sus postulados. Bohr introdujo dos proposiciones en el modelo de Rutherford:
- los electrones se mueven en órbitas estacionarias en un átomo, mientras que no emiten ni absorben fotones;
- el proceso de radiación (absorción) ocurre solo cuando un electrón se mueve de una órbita a otra.
¿Qué son las órbitas estacionarias de Bohr? Las consideraremos en el siguiente párrafo.
Cuantificación de niveles de energía
Las órbitas estacionarias de un electrón en un átomo, de las que habló Bohr por primera vez, son estados cuánticos estables de esta partícula-onda. Estos estados se caracterizan por una cierta energía. Esto último significa que el electrón en el átomo está en algún "bien" de energía. Puede entrar en otro "pozo" si recibe energía adicional del exterior en forma de fotón.
En los espectros de absorción y emisión de líneas para el hidrógeno, cuyas fórmulas se dan arriba, puede ver que el primer término entre paréntesis es un número de la forma 1/m2, donde m=1, 2, 3.. es un número entero. Refleja el número de la órbita estacionaria a la que pasa el electrón desde un nivel de energía superior n.
¿Cómo estudian los espectros en el rango visible?
Ya se ha dicho anteriormente que para esto se utilizan prismas de vidrio. Esto fue hecho por primera vez por Isaac Newton en 1666, cuando descompuso la luz visible en un conjunto de colores del arco iris. La razón porque se observa este efecto radica en la dependencia del índice de refracción de la longitud de onda. Por ejemplo, la luz azul (ondas cortas) se refracta con más fuerza que la luz roja (ondas largas).
Tenga en cuenta que, en general, cuando un haz de ondas electromagnéticas se mueve en cualquier medio material, los componentes de alta frecuencia de este haz siempre se refractan y dispersan con más fuerza que los de baja frecuencia. Un buen ejemplo es el color azul del cielo.
Óptica de lentes y espectro visible
Cuando se trabaja con lentes, a menudo se usa la luz del sol. Como es un espectro continuo, al pasar por la lente, sus frecuencias se refractan de manera diferente. Como resultado, el dispositivo óptico no puede recoger toda la luz en un punto y aparecen sombras iridiscentes. Este efecto se conoce como aberración cromática.
El problema indicado de la óptica de la lente se resuelve parcialmente mediante el uso de una combinación de lentes ópticos en instrumentos apropiados (microscopios, telescopios).
