DIVISIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Y DE LA SALUD
DIVISIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Y DE LA SALUD
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICO BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICO BIOLÓGICAS
NOTAS PARA EL CURSO DE
NOTAS PARA EL CURSO DE
QUÍMICA ANALÍTICA II
QUÍMICA ANALÍTICA II
INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS
INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS
ESPECTROSCÓPICOS
ESPECTROSCÓPICOS
POR
POR
DR. ENRIQUE FERNANDO VELÁZQUEZ CONTRERAS
DR. ENRIQUE FERNANDO VELÁZQUEZ CONTRERAS
Página Página
PROLOGO... iii
PROLOGO... iii
NACIMIENTO NACIMIENTO DE DE LA LA ESPECTROSCOPIA...ESPECTROSCOPIA... ... 11
NATURALEZA NATURALEZA DE DE LOS LOS ESPECTROS...ESPECTROS... ... 55
Espectros Espectros de de los los Elementos...Elementos... ... 55
Espectros Espectros de de Emisión...Emisión... .... 66
Espectros Espectros de de Absorción...Absorción... ... 77
Secretos Secretos de de los los Espectros Espectros a a Rayas...Rayas... ... 99
Modelo Modelo de de Thompson...Thompson... ... 1010 Modelo Modelo de de Rutherford...Rutherford... .. 1111 Modelo Modelo de de Bohr...Bohr... ... 1414 HISTORIA HISTORIA DEL DEL ESPECTRO ESPECTRO ELECTROMAGNETICO...ELECTROMAGNETICO... ... 1818 Infrarrojo... 19
Infrarrojo... 19
Ultravioleta... 21
Ultravioleta... 21
Ondas Ondas de de Radio...Radio... .. 2626 Microondas... 28
Microondas... 28
Rayos Rayos X...X... .. 3030 Rayos Rayos Gamma...Gamma... ... 3535 APENDI APENDICE ICE I... .... 4040 APENDI APENDICE ICE II...I... .... 5050 APENDI APENDICE ICE III..II... .... 6262 BIBLIOGRAFÍA... 71
La preparación de estas notas de clase se realizó con la intención de satisfacer las La preparación de estas notas de clase se realizó con la intención de satisfacer las necesidades correspondientes a la primer parte del curso de Espectroscopia, la cual necesidades correspondientes a la primer parte del curso de Espectroscopia, la cual consiste en una Introducción que abarca el Nacimiento de la Espectroscopia, su consiste en una Introducción que abarca el Nacimiento de la Espectroscopia, su importancia y ubicación dentro de las ciencias químicas, así como sus principios y importancia y ubicación dentro de las ciencias químicas, así como sus principios y conceptos fundamentales. Se destaca también la gran influencia que tuvieron los conceptos fundamentales. Se destaca también la gran influencia que tuvieron los espectros a líneas de los átomos en la propuesta del modelo atómico de Bohr y, además, espectros a líneas de los átomos en la propuesta del modelo atómico de Bohr y, además, se estudia el descubrimiento y algunas de las principales utilidades de las regiones en que se estudia el descubrimiento y algunas de las principales utilidades de las regiones en que dividimos el espectro electromagnético.
dividimos el espectro electromagnético.
La mayor parte del material se puede considerar como Historia de la La mayor parte del material se puede considerar como Historia de la Espectroscopia y en esto quisiera que quedara bien claro lo siguiente:
Espectroscopia y en esto quisiera que quedara bien claro lo siguiente: Como menciona José Antonio Chamizo G. en
Como menciona José Antonio Chamizo G. en ““Consideraciones acerca de laConsideraciones acerca de la Enseñanza de la Química
Enseñanza de la Química””, la Historia de la Química es una parte necesaria en la, la Historia de la Química es una parte necesaria en la educación química, ya que la atención que se le preste revela el desarrollo de la misma educación química, ya que la atención que se le preste revela el desarrollo de la misma de una manera realista. Mostrando como las ideas se generaron y por qué muchas de de una manera realista. Mostrando como las ideas se generaron y por qué muchas de ellas fueron finalmente inadecuadas, la química es revelada así, como una empresa ellas fueron finalmente inadecuadas, la química es revelada así, como una empresa humana, caracterizada por todos los errores, extravíos, vueltas a empezar y defensa de humana, caracterizada por todos los errores, extravíos, vueltas a empezar y defensa de posiciones insostenibles que caracteriza a todas las otras actividades humanas.
posiciones insostenibles que caracteriza a todas las otras actividades humanas.
Es más, en estos momentos podemos estar estudiando en nuestros libros (y Es más, en estos momentos podemos estar estudiando en nuestros libros (y defendiendo) teorías que en un futuro, posiblemente, sean desechadas. En el pasado hay defendiendo) teorías que en un futuro, posiblemente, sean desechadas. En el pasado hay bastantes ejemplos de lo anterior, siendo uno de los que más me ha llamado la atención bastantes ejemplos de lo anterior, siendo uno de los que más me ha llamado la atención el que aparece en el antiguo libro de divulgaci
el que aparece en el antiguo libro de divulgación científica “El Mundo de los Áón científica “El Mundo de los Átomostomos”” dede Charles R. Gibson (editado en México en 1945), donde el autor defiende Charles R. Gibson (editado en México en 1945), donde el autor defiende apasionadamente la existencia del
apasionadamente la existencia del ““éter éter ”” (el medio universal, que penetraba todo, llenaba(el medio universal, que penetraba todo, llenaba el espacio entre y dentro de todos los cuerpos materiales y que definían como
el espacio entre y dentro de todos los cuerpos materiales y que definían como ““el medioel medio en que la luz puede viajar”
en que la luz puede viajar”) con a) con afirmaciones como la siguiente: “firmaciones como la siguiente: “El hombre de cienciaEl hombre de ciencia está tan seguro de la existencia del éter como de la suya propia
está tan seguro de la existencia del éter como de la suya propia ”” y con ejemplos quey con ejemplos que quizá hubieran convencido a varios de nosotros.
quizá hubieran convencido a varios de nosotros. Así
Así pues, pues, rechazarechazamos mos la la idea idea de de que que la la histohistoria ria consticonstituye, tuye, cuando cuando la la hay, hay, unauna parte de los temarios que hay que pasar aprisa ó, excepcionalmente, un par de anécdotas parte de los temarios que hay que pasar aprisa ó, excepcionalmente, un par de anécdotas
batalla que continua en nuestros días) y no la asociación de fechas y nombres, ya que batalla que continua en nuestros días) y no la asociación de fechas y nombres, ya que esto último no sirve, no es ciencia.
esto último no sirve, no es ciencia.
De esta manera, uno de los objetivos de las presentes notas es el de contribuir a la De esta manera, uno de los objetivos de las presentes notas es el de contribuir a la formación del espíritu científico de los alumnos, al que Bacherald identifica de la siguiente formación del espíritu científico de los alumnos, al que Bacherald identifica de la siguiente manera:
manera: ““Para un espíritu científico todo conocimiento es una respuesta a una pregunta.Para un espíritu científico todo conocimiento es una respuesta a una pregunta. Si no hubo pregunta, no puede haber conocimiento científico. El hombre animado por el Si no hubo pregunta, no puede haber conocimiento científico. El hombre animado por el espíritu científico, sin duda desea saber, pero es, por lo pronto, para preguntar mejor espíritu científico, sin duda desea saber, pero es, por lo pronto, para preguntar mejor ””..
Por último, deseo aclarar que este escrito es una recopilación de la información Por último, deseo aclarar que este escrito es una recopilación de la información presentada en los textos citados en bibliografía y que el único trabajo desarrollado por el presentada en los textos citados en bibliografía y que el único trabajo desarrollado por el autor fue la selección del material, algunos detalles de redacción para una mejor autor fue la selección del material, algunos detalles de redacción para una mejor secuencia de los temas y la traducción de los textos en inglés.
secuencia de los temas y la traducción de los textos en inglés.
Dr. Enrique Fernando Velázquez Contreras Dr. Enrique Fernando Velázquez Contreras
NACIMIENTO DE LA ESPECTROSCOPIA NACIMIENTO DE LA ESPECTROSCOPIA
Esta nueva rama de la ciencia empieza realmente con el científico inglés Isaac Esta nueva rama de la ciencia empieza realmente con el científico inglés Isaac Newton (1642-1727), quien en 1665 descubrió que si un rayo de luz solar se hacia pasar Newton (1642-1727), quien en 1665 descubrió que si un rayo de luz solar se hacia pasar a través de un trozo triangular de cristal (un prisma) se esparcía en una franja de colores. a través de un trozo triangular de cristal (un prisma) se esparcía en una franja de colores. Newton llamó a esta franja de colores
Newton llamó a esta franja de colores spectrumspectrum, una palabra latina que se empleaba para, una palabra latina que se empleaba para
denominar cualquier “
denominar cualquier “aparición fantasmalaparición fantasmal””, ya que los colores aparecían donde antes, ya que los colores aparecían donde antes nada había sido visible y podían ser vistos, pero no sentidos, al igual que tantos nada había sido visible y podían ser vistos, pero no sentidos, al igual que tantos espectros.
espectros.
La misma sucesión de colores aparece en el arco iris. En realidad, el arco iris es un La misma sucesión de colores aparece en el arco iris. En realidad, el arco iris es un espectro que tiene lugar de manera natural, formándose cuando la luz solar pasa a través espectro que tiene lugar de manera natural, formándose cuando la luz solar pasa a través de gotitas de agua que quedan suspendidas en el aire inmediatamente después de una de gotitas de agua que quedan suspendidas en el aire inmediatamente después de una lluvia. Enseguida resultó evidente que este descubrimiento era de gran importancia en la lluvia. Enseguida resultó evidente que este descubrimiento era de gran importancia en la investigación de la luz. No obstante, durante cerca de dos siglos nadie sospechó que investigación de la luz. No obstante, durante cerca de dos siglos nadie sospechó que también sería de importancia crucial para la Química.
también sería de importancia crucial para la Química.
En 1814, el primer paso en esta dirección fue dado por un óptico alemán, Joseph En 1814, el primer paso en esta dirección fue dado por un óptico alemán, Joseph von Fraunhofer (1787-1826), quien se dedicaba a estudiar el refinado cristal que von Fraunhofer (1787-1826), quien se dedicaba a estudiar el refinado cristal que empleaba para construir sus instrumentos, y estaba probando sus efectos sobre un rayo empleaba para construir sus instrumentos, y estaba probando sus efectos sobre un rayo de luz solar que surgía de una estrecha hendidura y seguidamente pasaba a través de un de luz solar que surgía de una estrecha hendidura y seguidamente pasaba a través de un prisma. Fraunhofer observó que los espectros que se formaban estaban cruzados por prisma. Fraunhofer observó que los espectros que se formaban estaban cruzados por numerosas rayas obscuras. Midió la posición de varias de estas rayas y rotuló las más numerosas rayas obscuras. Midió la posición de varias de estas rayas y rotuló las más destacadas desde la A hasta la K. En su memoria siguen llamándose todavía, a veces, destacadas desde la A hasta la K. En su memoria siguen llamándose todavía, a veces, ““rayas de Fraunhofer rayas de Fraunhofer ””..
En las décadas siguientes, algunos científicos estudiaron estas rayas con creciente En las décadas siguientes, algunos científicos estudiaron estas rayas con creciente curiosidad. El punto culminante se alcanzó con los trabajos desarrollados por el físico curiosidad. El punto culminante se alcanzó con los trabajos desarrollados por el físico alemán Gustav Robert Kirchoff (1824-1887). Kirchoff consiguió demostrar que cuando los alemán Gustav Robert Kirchoff (1824-1887). Kirchoff consiguió demostrar que cuando los elementos eran calentados hasta
elementos eran calentados hasta el grado el grado en que se desprendía luz, en que se desprendía luz, y esta luz se y esta luz se pasabapasaba a través de un prisma, quedaba dividida en una banda de líneas brillantes de diversos a través de un prisma, quedaba dividida en una banda de líneas brillantes de diversos colores contra un fondo obscuro. En otras condiciones, un elemento podía ser inducido a colores contra un fondo obscuro. En otras condiciones, un elemento podía ser inducido a producir una banda idéntica de líneas obscuras contra un telón de fondo de color producir una banda idéntica de líneas obscuras contra un telón de fondo de color continuo.
Kirchhoff, en colaboración con el químico alemán Robert Wilhem von Bunsen Kirchhoff, en colaboración con el químico alemán Robert Wilhem von Bunsen (1811-1899), construyó un Espectroscopio, un aparato mediante el cual se podían (1811-1899), construyó un Espectroscopio, un aparato mediante el cual se podían producir las rayas y medir su posición, demostrando que cada elemento producía una producir las rayas y medir su posición, demostrando que cada elemento producía una banda específica de rayas, distinta de la de cualquier otro elemento (revisar apéndice I). banda específica de rayas, distinta de la de cualquier otro elemento (revisar apéndice I). En efecto, ningún elemento producía ni una simple raya que estuviera exactamente en la En efecto, ningún elemento producía ni una simple raya que estuviera exactamente en la misma posición que una raya particular producida por otro elemento. Era como si cada misma posición que una raya particular producida por otro elemento. Era como si cada elemento tuviera su propia huella digital de luz.
elemento tuviera su propia huella digital de luz.
Si se calentaba un mineral hasta el punto en que resplandecía, las diversas rayas Si se calentaba un mineral hasta el punto en que resplandecía, las diversas rayas que producía eran suficientes para indicar la naturaleza de los elementos presentes (en que producía eran suficientes para indicar la naturaleza de los elementos presentes (en realidad, debido al calentamiento, lo que se estudia son los vapores del mineral). En 1859 realidad, debido al calentamiento, lo que se estudia son los vapores del mineral). En 1859 Kirchhoff y Bunsen habían establecido una nueva técnica química: el análisis Kirchhoff y Bunsen habían establecido una nueva técnica química: el análisis espectroscópico.
espectroscópico.
En consecuencia, si un mineral calentado producía una o más rayas espectrales En consecuencia, si un mineral calentado producía una o más rayas espectrales que aparecían en nuevas posiciones que no duplicaban las posiciones de las rayas de que aparecían en nuevas posiciones que no duplicaban las posiciones de las rayas de ninguno de los elementos conocidos, existían sólidas razones para sospechar la ninguno de los elementos conocidos, existían sólidas razones para sospechar la existencia de un nuevo elemento. En 1860 Kirchhof y Bunsen localizaron nuevas rayas en existencia de un nuevo elemento. En 1860 Kirchhof y Bunsen localizaron nuevas rayas en el espectro por calentamiento de un determinado mineral. Por lo tanto, dedujeron la el espectro por calentamiento de un determinado mineral. Por lo tanto, dedujeron la presencia de un elemento nuevo. Le llamaron
presencia de un elemento nuevo. Le llamaron cesiumcesium (cesio), (cesio), de una de una palabra palabra latina latina queque
significa "azul cielo" debido al color de la nueva raya. Al año siguiente descubrieron otro significa "azul cielo" debido al color de la nueva raya. Al año siguiente descubrieron otro elemento por el mismo procedimiento, al cual lo denominaron
elemento por el mismo procedimiento, al cual lo denominaron rubidiumrubidium (rubidio), que(rubidio), que
significa rojo, por el color de la nueva raya. significa rojo, por el color de la nueva raya.
Dos nuevos elementos fueron descubiertos por el mismo procedimiento en los Dos nuevos elementos fueron descubiertos por el mismo procedimiento en los años siguientes: el talio (
años siguientes: el talio (thalliumthallium = hoja verde), por el físico inglés William Crookes (1832-= hoja verde), por el físico inglés William Crookes
(1832-1919) en 1861 y el indio (
1919) en 1861 y el indio (indiumindium = añil) por dos mineralogistas alemanes: Feerdinand= añil) por dos mineralogistas alemanes: Feerdinand
Reich (1799-1882) y Hieronymus Theodor Richter (1824-1898) en 1863. Reich (1799-1882) y Hieronymus Theodor Richter (1824-1898) en 1863.
En cada caso, una vez que quedaba señalado el nuevo elemento, el mineral podía En cada caso, una vez que quedaba señalado el nuevo elemento, el mineral podía ser tratado mediante procedimientos químicos corrientes y el elemento resultante era ser tratado mediante procedimientos químicos corrientes y el elemento resultante era aislado y estudiado. En consecuencia, casi de inmediato, la espectroscopia consiguió un aislado y estudiado. En consecuencia, casi de inmediato, la espectroscopia consiguió un enorme prestigio.
enorme prestigio.
Parecía evidente que las rayas oscuras que Fraunhofer había observado en el Parecía evidente que las rayas oscuras que Fraunhofer había observado en el espectro de la luz solar debían ser producidas por elementos en el sol. Un astrónomo espectro de la luz solar debían ser producidas por elementos en el sol. Un astrónomo
sueco Anders Jonas Angstrom (1814-1874) estudio meticulosamente el espectro solar en sueco Anders Jonas Angstrom (1814-1874) estudio meticulosamente el espectro solar en 1861 y demostró que algunas de sus rayas ocupaban posiciones idénticas que las 1861 y demostró que algunas de sus rayas ocupaban posiciones idénticas que las producidas por el hidrógeno incandescente. Por consiguiente, podía extraerse la producidas por el hidrógeno incandescente. Por consiguiente, podía extraerse la conclusión de que el hidrógeno estaba presente en el sol. Un astrónomo inglés, William conclusión de que el hidrógeno estaba presente en el sol. Un astrónomo inglés, William Huggins (1824-1919), estudió el espectro producido por cuerpos astronómicos distintos al Huggins (1824-1919), estudió el espectro producido por cuerpos astronómicos distintos al sol y demostró cuales eran los elementos específicos que podían ser localizados en ellos. sol y demostró cuales eran los elementos específicos que podían ser localizados en ellos. El análisis espectroscópico estaba progresando rápidamente de triunfo en triunfo y El análisis espectroscópico estaba progresando rápidamente de triunfo en triunfo y estaba preparando el escenario para el importante acontecimiento del año de 1868. En estaba preparando el escenario para el importante acontecimiento del año de 1868. En este año se produjo un eclipse total que sería visible en la India, por lo que acudieron este año se produjo un eclipse total que sería visible en la India, por lo que acudieron astrónomos de todas partes del mundo. Durante los eclipses es posible estudiar objetos astrónomos de todas partes del mundo. Durante los eclipses es posible estudiar objetos en la superficie solar, tales como las llamadas
en la superficie solar, tales como las llamadas ““protuberanciasprotuberancias””, así como la corona del, así como la corona del astro, y su delgada atmósfera exterior. Por lo general, cuando el brillante disco del sol no astro, y su delgada atmósfera exterior. Por lo general, cuando el brillante disco del sol no está obscurecido por la luna, estos detalles comparativamente tenues, como las está obscurecido por la luna, estos detalles comparativamente tenues, como las prominencias y la corona, están por completo apagados.
prominencias y la corona, están por completo apagados.
Uno de los astrónomos que llegó a la India fue un francés, Pierre Jules César Uno de los astrónomos que llegó a la India fue un francés, Pierre Jules César Janssen (1824-1907). Llevó consigo un espectroscopio, que intentaba emplear en sus Janssen (1824-1907). Llevó consigo un espectroscopio, que intentaba emplear en sus observaciones. Janssen dejó que la luz de la parte exterior del astro solar pasara a través observaciones. Janssen dejó que la luz de la parte exterior del astro solar pasara a través del espectroscopio, de modo que quedasen formadas unas rayas brillantes. Registró su del espectroscopio, de modo que quedasen formadas unas rayas brillantes. Registró su posición y encontró una que, hasta donde él sabía, ocupaba una posición que no posición y encontró una que, hasta donde él sabía, ocupaba una posición que no pertenecía a ninguna de las rayas de ningún elemento conocido.
pertenecía a ninguna de las rayas de ningún elemento conocido.
No se consideraba a sí mismo suficientemente experto en el análisis No se consideraba a sí mismo suficientemente experto en el análisis espectroscópico para llevar adelante aquél asunto; en realidad, ni siquiera mencionó la espectroscópico para llevar adelante aquél asunto; en realidad, ni siquiera mencionó la raya en su informe final del eclipse. Sin embargo, envió el dato a un astrónomo inglés, raya en su informe final del eclipse. Sin embargo, envió el dato a un astrónomo inglés, Joseph Norman Lockyer (1836-1920), quien estaba realizando importantes trabajos en Joseph Norman Lockyer (1836-1920), quien estaba realizando importantes trabajos en espectroscopia.
espectroscopia.
Lockyer meditó sobre el tema, estudiando el espectro solar por su cuenta, y Lockyer meditó sobre el tema, estudiando el espectro solar por su cuenta, y encontró la raya. No pudo duplicarla con ningún elemento conocido. Lockyer decidió que encontró la raya. No pudo duplicarla con ningún elemento conocido. Lockyer decidió que un nuevo elemento estaba involucrado, uno que estaba presente en el sol, pero que, por un nuevo elemento estaba involucrado, uno que estaba presente en el sol, pero que, por el momento, era desconocido en la Tierra. Sugirió que el nuevo elemento fuera el momento, era desconocido en la Tierra. Sugirió que el nuevo elemento fuera denominado
La sugerencia de Lockyer fue descartada por el mundo de la química. Los análisis La sugerencia de Lockyer fue descartada por el mundo de la química. Los análisis espectroscópicos podían descubrir nuevos elementos, de acuerdo, pero los químicos espectroscópicos podían descubrir nuevos elementos, de acuerdo, pero los químicos opinaban que ellos tenían que confirmar los descubrimientos mediante análisis ortodoxos. opinaban que ellos tenían que confirmar los descubrimientos mediante análisis ortodoxos. No estaban todavía preparados para aceptar la evidencia espectroscópica como No estaban todavía preparados para aceptar la evidencia espectroscópica como suficiente por sí misma, sin una confirmación química, para demostrar la existencia de un suficiente por sí misma, sin una confirmación química, para demostrar la existencia de un elemento en el cielo que no era conocido en la Tierra.
elemento en el cielo que no era conocido en la Tierra.
En consecuencia, el tema quedó olvidado hasta cerca de finales de siglo. Por En consecuencia, el tema quedó olvidado hasta cerca de finales de siglo. Por cierto, la “línea Janssen
cierto, la “línea Janssen--Lokyer” era la segundaLokyer” era la segunda ocasión en que la existencia de los gasesocasión en que la existencia de los gases nobles había estado a punto de ser descubierta.
NATURALEZA DE LOS ESPECTROS NATURALEZA DE LOS ESPECTROS
En este capítulo presentaremos un análisis de la manera en que fue En este capítulo presentaremos un análisis de la manera en que fue redondeándose la estructura atómica debido al reforzamiento mutuo entre teoría y redondeándose la estructura atómica debido al reforzamiento mutuo entre teoría y experimento.
experimento.
La emisión y absorción de luz por los átomos, así como su comportamiento La emisión y absorción de luz por los átomos, así como su comportamiento químico periódico, fueron evidencias experimentales que permitieron reconocer, justificar químico periódico, fueron evidencias experimentales que permitieron reconocer, justificar y ampliar el modelo cuántico. De igual forma, éste permitió comprender el y ampliar el modelo cuántico. De igual forma, éste permitió comprender el comportamiento de los sistemas atómicos y plantear mejor los experimentos.
comportamiento de los sistemas atómicos y plantear mejor los experimentos.
La ciencia moderna es teoría más experimentación planeada, y eso es La ciencia moderna es teoría más experimentación planeada, y eso es precisamente lo que puede apreciarse durante el desarrollo de este capítulo.
precisamente lo que puede apreciarse durante el desarrollo de este capítulo. Aquí analiz
Aquí analizamos el papel jugado por amos el papel jugado por la espectrosla espectroscopia en el copia en el desarrdesarrollo del primer ollo del primer modelo atómico cuántico: el de Niels Bohr.
modelo atómico cuántico: el de Niels Bohr.
Espectros de los Elementos. Espectros de los Elementos.
Es de conocimiento general que un cuerpo sólido caliente puede emitir y absorber Es de conocimiento general que un cuerpo sólido caliente puede emitir y absorber todo tipo de radiación; es decir, tiene espectros de emisión y de absorción continuos.
todo tipo de radiación; es decir, tiene espectros de emisión y de absorción continuos.
La interacción entre materia y radiación de un gas (a condiciones ordinarias) no La interacción entre materia y radiación de un gas (a condiciones ordinarias) no sigue este mismo patrón de comportamiento.
sigue este mismo patrón de comportamiento.
La ciencia que se encarga del estudio de la radiación electromagnética emitida o La ciencia que se encarga del estudio de la radiación electromagnética emitida o absorbida por las sustancias, se conoce como espectroscopia. Su importancia para el absorbida por las sustancias, se conoce como espectroscopia. Su importancia para el químico es indiscutible, pues se ha convertido en una herramienta insustituible para la químico es indiscutible, pues se ha convertido en una herramienta insustituible para la identificación y caracterización de compuestos.
identificación y caracterización de compuestos.
Espectros de Emisión. Espectros de Emisión.
Desde hace mucho tiempo se conoce que los gases emiten luz cuando son Desde hace mucho tiempo se conoce que los gases emiten luz cuando son excitados.
excitados.
La radiación emitida por los gases puede separarse en sus diferentes longitudes La radiación emitida por los gases puede separarse en sus diferentes longitudes de onda por medio de un prisma, como se muestra en las Figura 1. En un principio, se de onda por medio de un prisma, como se muestra en las Figura 1. En un principio, se realizaron observaciones visuales y posteriormente se emplearon pantallas fluorescentes realizaron observaciones visuales y posteriormente se emplearon pantallas fluorescentes o placas fotográficas para analizar la naturaleza de la luz producida por emisión.
Figura 1.
Figura 1. Diagrama de un espectrómetro de prisma.Diagrama de un espectrómetro de prisma.
En 1752, el físico escocés Thomas Melvill, al usar la excitación por llama, encontró En 1752, el físico escocés Thomas Melvill, al usar la excitación por llama, encontró que los espectros de los gases no presentaban todos los colores del visible (arco iris), que los espectros de los gases no presentaban todos los colores del visible (arco iris), como sucede en sólidos o líquidos, sino sólo parte de ellos, separados por intervalos como sucede en sólidos o líquidos, sino sólo parte de ellos, separados por intervalos ausentes de color.
ausentes de color.
Melvill también reconoció que cada sustancia mostraba diferentes señales Melvill también reconoció que cada sustancia mostraba diferentes señales brillantes. Por ejemplo, la sal común presenta una coloración amarilla característica brillantes. Por ejemplo, la sal común presenta una coloración amarilla característica cuando se calienta a la llama. Actualmente se sabe que el vapor de sodio presenta dos cuando se calienta a la llama. Actualmente se sabe que el vapor de sodio presenta dos líneas prominentes en la región visible del espectro, con longitudes de onda de 5889.95 y líneas prominentes en la región visible del espectro, con longitudes de onda de 5889.95 y 5895.92 Angstroms (antes de tenerse un alto poder de resolución en los aparatos, sólo se 5895.92 Angstroms (antes de tenerse un alto poder de resolución en los aparatos, sólo se identificaba una línea alrededor de los 5890 Å). Otros elementos presentan un espectro identificaba una línea alrededor de los 5890 Å). Otros elementos presentan un espectro de emisión más complejo, como se muestra en la Figura 2.
de emisión más complejo, como se muestra en la Figura 2.
La radiación emitida por vapores de hierro está compuesta por más de 6000 líneas La radiación emitida por vapores de hierro está compuesta por más de 6000 líneas brillantes en la región visible. Como vemos en la figura, aún elementos que presentan brillantes en la región visible. Como vemos en la figura, aún elementos que presentan comportamientos químicos similares, como helio y neón, tienen un espectro de emisión comportamientos químicos similares, como helio y neón, tienen un espectro de emisión radicalmente diferente y, como ya habíamos establecido, cada gas puede identificarse a radicalmente diferente y, como ya habíamos establecido, cada gas puede identificarse a partir de su espectro de líneas, y ello puede hacerse con tanta precisión como la partir de su espectro de líneas, y ello puede hacerse con tanta precisión como la identificación de personas por sus huellas digitales.
identificación de personas por sus huellas digitales.
Prisma Prisma Gas Gas Rejilla Rejilla Tubo de descarga
Tubo de descarga PlacaPlaca
Rojo Rojo V V i i s s i i b b l l e e Violeta Violeta
Figura 2.
Figura 2. Espectros de Emisión del Hg, He y Ne.Espectros de Emisión del Hg, He y Ne.
Espectros de Absorción. Espectros de Absorción.
Desde los experimentos realizados por Isaac Newton, al pasar la luz del sol a Desde los experimentos realizados por Isaac Newton, al pasar la luz del sol a través de un prisma, se pensaba que ésta consistía en un espectro continuo. En 1802, través de un prisma, se pensaba que ésta consistía en un espectro continuo. En 1802, William Hyde Wollaston (1766-1828) halló siete líneas oscuras espaciadas irregularmente William Hyde Wollaston (1766-1828) halló siete líneas oscuras espaciadas irregularmente en el espectro solar. Doce años más tarde, en 1814, Fraunhofer amplió esos en el espectro solar. Doce años más tarde, en 1814, Fraunhofer amplió esos experimentos con mejor instrumental, encontrando varios cientos de líneas oscuras. experimentos con mejor instrumental, encontrando varios cientos de líneas oscuras. Algunas de
Algunas de las más las más imporimportantes se tantes se muestrmuestran en an en la la FigurFigura a 3, 3, a a las que las que dio los dio los nombresnombres A,B,C…
A,B,C…,K.,K. Actual
Actualmente mente se se conocconocen en más más de de 15,0015,000 0 líneas líneas oscurasoscuras, , parte parte de de las las cualescuales corresponden al visible.
corresponden al visible.
El análisis de la luz emitida por las estrellas muestra también líneas oscuras El análisis de la luz emitida por las estrellas muestra también líneas oscuras similares, muchas de las cuales corresponden casi exactamente a las del sol, aunque la similares, muchas de las cuales corresponden casi exactamente a las del sol, aunque la longitud
longitud de de onda onda se se mueve mueve ligeramente ligeramente hacia hacia la la región región roja roja del del espectro espectro [este[este corrimiento hacia el rojo se debe a que las estrellas se alejan de la tierra, confirmando que corrimiento hacia el rojo se debe a que las estrellas se alejan de la tierra, confirmando que el universo se encuentra en un período de expansión. En 1842, Christian Johann Doppler el universo se encuentra en un período de expansión. En 1842, Christian Johann Doppler predijo este cambio de longitudes de onda cuando la fuente de luz y el observador se predijo este cambio de longitudes de onda cuando la fuente de luz y el observador se encuentran en movimiento relativo].
Figura 3.
Figura 3. Líneas de Fraunhofer en la Parte Visible de Espectro Solar.Líneas de Fraunhofer en la Parte Visible de Espectro Solar.
Pronto se supo que las líneas D correspondían, precisamente, a la pareja de líneas Pronto se supo que las líneas D correspondían, precisamente, a la pareja de líneas brillantes del espectro de emisión del sodio. Fue Kirchhoff nuevamente quien contribuyó al brillantes del espectro de emisión del sodio. Fue Kirchhoff nuevamente quien contribuyó al esclarecimiento de la aparición de las líneas oscuras. En aquel tiempo se sabía que la luz esclarecimiento de la aparición de las líneas oscuras. En aquel tiempo se sabía que la luz emitida por los sólidos incandescentes consistía en un espectro totalmente continuo. emitida por los sólidos incandescentes consistía en un espectro totalmente continuo. Kirchhoff
Kirchhoff interpuso interpuso vapor vapor de de sodio sodio (a (a menor menor temperatura temperatura que que la la del del sólido sólido que que producíaproducía la luz) y aparecieron, después del paso de la radiación por el prisma, las dos líneas D del la luz) y aparecieron, después del paso de la radiación por el prisma, las dos líneas D del espectro solar. En la Figura 4 se presenta el diagrama de un espectrómetro de absorción espectro solar. En la Figura 4 se presenta el diagrama de un espectrómetro de absorción y la Figura 5 muestra como coinciden otras líneas de los espectros de absorción y y la Figura 5 muestra como coinciden otras líneas de los espectros de absorción y emisión del sodio.
emisión del sodio.
Figura 4.
Figura 4. Diagrama de un Espectrómetro de AbsorciónDiagrama de un Espectrómetro de Absorción
Figura 5.
Figura 5. Comparación de los Espectros de Absorción y Emisión del Sodio.Comparación de los Espectros de Absorción y Emisión del Sodio.
Prisma Prisma Gas Gas Rejilla Rejilla Líneas obscuras Líneas obscuras Sólido Sólido incandescente incandescente Placa Fotográfica Placa Fotográfica
La repetición del experimento con otros gases, muestra las líneas de absorción La repetición del experimento con otros gases, muestra las líneas de absorción características del mismo.
características del mismo.
La conclusión de Kirchhoff fue que los gases absorbían luz de longitudes de onda La conclusión de Kirchhoff fue que los gases absorbían luz de longitudes de onda idénticas a algunas de las que emitían después de ser excitados. Propuso entonces que idénticas a algunas de las que emitían después de ser excitados. Propuso entonces que las líneas de Fraunhofer se debían a la existencia de sodio y otros gases en la atmósfera las líneas de Fraunhofer se debían a la existencia de sodio y otros gases en la atmósfera de las estrellas.
de las estrellas.
Estos elementos absorbían ciertas frecuencias de la luz continua emitida por la Estos elementos absorbían ciertas frecuencias de la luz continua emitida por la estrellas. Los espectros estelares dan, por tanto, la clave para obtener la composición estrellas. Los espectros estelares dan, por tanto, la clave para obtener la composición química de las estrellas. A la fecha se sabe de esta forma la presencia de más de 60 química de las estrellas. A la fecha se sabe de esta forma la presencia de más de 60 elementos en la atmósfera solar. Ya sabemos que la existencia del helio se predijo porque elementos en la atmósfera solar. Ya sabemos que la existencia del helio se predijo porque algunas líneas oscuras del sol no correspondían a ningún elemento conocido. La algunas líneas oscuras del sol no correspondían a ningún elemento conocido. La espectroscopia es, como se ve, una herramienta tan potente que pudo encontrarse un espectroscopia es, como se ve, una herramienta tan potente que pudo encontrarse un elemento nuevo a !149 millones de kilómetros de distancia! Como este ejemplo, mucho elemento nuevo a !149 millones de kilómetros de distancia! Como este ejemplo, mucho de lo que sabemos del universo ha procedido del análisis espectroscópico de la radiación de lo que sabemos del universo ha procedido del análisis espectroscópico de la radiación electromagnética que nos llega a la tierra.
electromagnética que nos llega a la tierra.
Secretos de los Espectros a
Secretos de los Espectros a RayasRayas
Los triunfos del análisis espectral fueron colosales. Pero había una falla Los triunfos del análisis espectral fueron colosales. Pero había una falla fundamental. El edificio de la espectroscopia estaba construido sobre los cimientos de la fundamental. El edificio de la espectroscopia estaba construido sobre los cimientos de la teoría de la radiación térmica, y tenía todas las limitaciones básicas de esta teoría. La teoría de la radiación térmica, y tenía todas las limitaciones básicas de esta teoría. La debilidad básica se encontraba en la respuesta a esta pregunta: ¿Por qué los cuerpos debilidad básica se encontraba en la respuesta a esta pregunta: ¿Por qué los cuerpos emiten luz cuando son calentados?
emiten luz cuando son calentados?
¿Cómo se emite la luz? Obviamente por medio de las partes que componen los ¿Cómo se emite la luz? Obviamente por medio de las partes que componen los cuerpos (átomos y moléculas). El aumento de la temperatura hace que las moléculas se cuerpos (átomos y moléculas). El aumento de la temperatura hace que las moléculas se muevan más rápido, las colisiones mutuas son más violentas y más frecuentes, y las muevan más rápido, las colisiones mutuas son más violentas y más frecuentes, y las moléculas vibran tan rápido que comienzan a emitir luz.
moléculas vibran tan rápido que comienzan a emitir luz.
Este es el punto de vista de la vieja física, pero, entonces, ¿por qué los cuerpos no Este es el punto de vista de la vieja física, pero, entonces, ¿por qué los cuerpos no son luminiscentes a la temperatura ambiente, puesto que las moléculas están en son luminiscentes a la temperatura ambiente, puesto que las moléculas están en movimiento? No había explicación para esta cuestión.
Modelo de Thompson. Modelo de Thompson.
Cuando, en 1898, el científico inglés Thompson creó el primer modelo del átomo, Cuando, en 1898, el científico inglés Thompson creó el primer modelo del átomo, el misterio de la luminiscencia parecía estar a punto de resolverse. En este modelo, los el misterio de la luminiscencia parecía estar a punto de resolverse. En este modelo, los átomos eran nubes de cargas positivas dentro de las cuales flotaban electrones de carga átomos eran nubes de cargas positivas dentro de las cuales flotaban electrones de carga negativa en cantidades suficientes para balancear las cargas (Figura 6).
negativa en cantidades suficientes para balancear las cargas (Figura 6).
Figura 6.
Figura 6. Modelo Atómico de Thomson.Modelo Atómico de Thomson.
Los electrones eran atraídos por las nubes positivas retardando su movimiento. Los electrones eran atraídos por las nubes positivas retardando su movimiento. Pero, de acuerdo con la física clásica, las partículas cargadas deben emitir radiación Pero, de acuerdo con la física clásica, las partículas cargadas deben emitir radiación electromagnética cuando son desaceleradas. Aparentemente esta radiación se emite electromagnética cuando son desaceleradas. Aparentemente esta radiación se emite cuando los cuerpos se calientan. A primera vista la explicación era bastante convincente: cuando los cuerpos se calientan. A primera vista la explicación era bastante convincente: mientras más se calienta un cuerpo más rápido se mueven los electrones en los átomos y mientras más se calienta un cuerpo más rápido se mueven los electrones en los átomos y mayor es la desaceleración debida a la atracción de las nubes de carga positiva y por mayor es la desaceleración debida a la atracción de las nubes de carga positiva y por tanto más intensa la radiación.
tanto más intensa la radiación.
Esto podía ser así si los electrones no gastaran su energía cuando producen Esto podía ser así si los electrones no gastaran su energía cuando producen radiación. Pero cuando los electrones irradian luz, deben desacelerarse con extraordinaria radiación. Pero cuando los electrones irradian luz, deben desacelerarse con extraordinaria rapidez. En la más diminuta fracción de segundo se pulverizarían en las nubes de carga rapidez. En la más diminuta fracción de segundo se pulverizarían en las nubes de carga positiva como pasas en un pudín.
positiva como pasas en un pudín. Algo
Algo estaba estaba equivequivocado. ocado. AlgunoAlgunos s años años después después se se puso puso en en evidenevidencia cia que que elel modelo de Thomson no funcionaba también en otros aspectos. Muchas cuestiones modelo de Thomson no funcionaba también en otros aspectos. Muchas cuestiones permanecían sin respuesta. ¿Y entonces, por qué los electrones no se unen simplemente permanecían sin respuesta. ¿Y entonces, por qué los electrones no se unen simplemente con la carga positiva y neutralizan su carga? Las pocas respuestas que hay disponibles a con la carga positiva y neutralizan su carga? Las pocas respuestas que hay disponibles a partir de este modelo, en la mayoría de los casos llegan a un agudo conflicto con los partir de este modelo, en la mayoría de los casos llegan a un agudo conflicto con los experimentos.
Modelo de Rutherford. Modelo de Rutherford.
En 1911 el eminente físico Ernest Rutherford propuso un nuevo modelo del átomo. En 1911 el eminente físico Ernest Rutherford propuso un nuevo modelo del átomo. Rutherford bombardeó los átomos de diversas sustancias con los recientemente Rutherford bombardeó los átomos de diversas sustancias con los recientemente descubiertos rayos alfa de sustancias radiactivas. Para entonces ya se sabía que estos descubiertos rayos alfa de sustancias radiactivas. Para entonces ya se sabía que estos rayos alfa consistían de partículas de carga positiva.
rayos alfa consistían de partículas de carga positiva.
Estudiando la diseminación de las partículas alfa por los átomos (figuras 7 y 8), Estudiando la diseminación de las partículas alfa por los átomos (figuras 7 y 8), Rutherford fue forzado a una conclusión de gran alcance.
Rutherford fue forzado a una conclusión de gran alcance.
Figura 7.
Figura 7. El Experimento de Rutherford-Geiger-MarsdenEl Experimento de Rutherford-Geiger-Marsden
Figura 8.
Figura 8. Desviaciones esperadas de las partículas alfa:Desviaciones esperadas de las partículas alfa: (a)(a) átomo de Thomson, soloátomo de Thomson, solo pequeñas desviaciones. (b) átomo de Rutherford, desviaciones grandes y pequeñas desviaciones. (b) átomo de Rutherford, desviaciones grandes y pequeñas.
pequeñas.
Las partículas Alfa eran diseminadas como si fueran rechazadas no por toda la Las partículas Alfa eran diseminadas como si fueran rechazadas no por toda la nube positiva del átomo de Thompson sino por una pequeña parte del átomo localizada nube positiva del átomo de Thompson sino por una pequeña parte del átomo localizada
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — Carga positiva Carga positiva (a) (b) (a) (b)
en algún lugar del centro. Toda la carga positiva del átomo parecía estar concentrada en en algún lugar del centro. Toda la carga positiva del átomo parecía estar concentrada en esta diminuta parte central.
esta diminuta parte central.
Rutherford denominó núcleo a esta parte del átomo. Entonces, ¿dónde estaban los Rutherford denominó núcleo a esta parte del átomo. Entonces, ¿dónde estaban los electrones? No perdía fuerza el punto de vista de que los electrones estaban unidos a las electrones? No perdía fuerza el punto de vista de que los electrones estaban unidos a las cargas positivas del átomo por las fuerzas eléctricas de atracción. Pero puesto que los cargas positivas del átomo por las fuerzas eléctricas de atracción. Pero puesto que los átomos existen a cierta distancia del núcleo, debe existir alguna fuerza que balancee la átomos existen a cierta distancia del núcleo, debe existir alguna fuerza que balancee la fuerza eléctrica de atracción mutua de los electrones del núcleo. Era obvio que esta fuerza eléctrica de atracción mutua de los electrones del núcleo. Era obvio que esta fuerza tenía que operar todo el tiempo. Los átomos existen por un tiempo suficientemente fuerza tenía que operar todo el tiempo. Los átomos existen por un tiempo suficientemente largo y, por lo mismo, la fuerza balanceadora tenía que ser igualmente constante, al igual largo y, por lo mismo, la fuerza balanceadora tenía que ser igualmente constante, al igual que la fuerza de atracción eléctrica entre los electrones y el núcleo. Parecería razonable que la fuerza de atracción eléctrica entre los electrones y el núcleo. Parecería razonable pensar que esta era una fuerza centrífuga, tal como si los electrones giraran alrededor del pensar que esta era una fuerza centrífuga, tal como si los electrones giraran alrededor del núcleo atómico (Figura 9). Se podría calcular si la fuerza era suficiente para evitar que los núcleo atómico (Figura 9). Se podría calcular si la fuerza era suficiente para evitar que los electrones cayeran en el núcleo. Los cálculos demostraron que era suficiente que los electrones cayeran en el núcleo. Los cálculos demostraron que era suficiente que los electrones que giran alrededor del núcleo se muevan a velocidades de muchas decenas electrones que giran alrededor del núcleo se muevan a velocidades de muchas decenas de miles de kilómetros por segundo y a una distancia del núcleo del orden de de miles de kilómetros por segundo y a una distancia del núcleo del orden de cienmillonésimas de centímetro.
cienmillonésimas de centímetro.
Este era el modelo del átomo que presentó Rutherford. Una bola que gira en el Este era el modelo del átomo que presentó Rutherford. Una bola que gira en el extremo de una cuerda había sugerido indirectamente a Newton la idea de la gravitación extremo de una cuerda había sugerido indirectamente a Newton la idea de la gravitación planetaria. Esta misma idea conducía a Rutherford al concepto ingenioso y perfectamente planetaria. Esta misma idea conducía a Rutherford al concepto ingenioso y perfectamente correcto de la estructura planetaria del átomo.
correcto de la estructura planetaria del átomo.
Figura 9.
Figura 9. Modelo Atómico de Rutherford.Modelo Atómico de Rutherford.
Ahora podemo
Ahora podemos regresar al problema del por qué los cuerpos emiten luz y buscar s regresar al problema del por qué los cuerpos emiten luz y buscar la respuesta en el nuevo modelo del átomo. El movimiento de los electrones alrededor del la respuesta en el nuevo modelo del átomo. El movimiento de los electrones alrededor del núcleo es un movimiento acelerado (los electrones se mueven a lo largo de curvas núcleo es un movimiento acelerado (los electrones se mueven a lo largo de curvas cerrada); por lo tanto debe haber radiación electromagnética.
Las leyes clásicas se aplican igualmente al modelo de Thomson y al modelo de Las leyes clásicas se aplican igualmente al modelo de Thomson y al modelo de Rutherford. Pero, desafortunadamente, el éxito es
Rutherford. Pero, desafortunadamente, el éxito es también el mismo.también el mismo.
En la radiación de la luz el electrón usa su energía. Al hacerlo se desacelera en En la radiación de la luz el electrón usa su energía. Al hacerlo se desacelera en millonésimas de segundo y debe caer inevitablemente en el núcleo, así como el satélite millonésimas de segundo y debe caer inevitablemente en el núcleo, así como el satélite desacelerado en la atmósfera de la tierra cae hacia ésta. El destino del electrón debiera desacelerado en la atmósfera de la tierra cae hacia ésta. El destino del electrón debiera ser el mismo que el del satélite. Un átomo, bajo tales condiciones dejaría muy pronto de ser el mismo que el del satélite. Un átomo, bajo tales condiciones dejaría muy pronto de existir.
existir.
No obstante los átomos viven, y los electrones no debieran dar energía ni emitir No obstante los átomos viven, y los electrones no debieran dar energía ni emitir luz. Sin embargo
luz. Sin embargo los cuerpos la emitlos cuerpos la emiten cuando se les cen cuando se les calienta.alienta.
Modelo de Bohr. Modelo de Bohr.
El joven danés Niels Bohr, discípulo de Rutherford, pensó: aquí hay algo que no El joven danés Niels Bohr, discípulo de Rutherford, pensó: aquí hay algo que no está bien. )Será falso el modelo de átomo de Rutherford? No, aún es pronto para está bien. )Será falso el modelo de átomo de Rutherford? No, aún es pronto para renunciar a este modelo. Hay que intentar modificarlo de tal forma que el electrón, al girar renunciar a este modelo. Hay que intentar modificarlo de tal forma que el electrón, al girar alrededor del núcleo, pueda emitir luz sin caer en éste.¿Y por qué razón tiene que emitir alrededor del núcleo, pueda emitir luz sin caer en éste.¿Y por qué razón tiene que emitir luz continuamente el electrón en el átomo? ¿Por qué se mueve aceleradamente durante luz continuamente el electrón en el átomo? ¿Por qué se mueve aceleradamente durante todo el tiempo? ¿Y, si aun moviéndose aceleradamente, no emite luz?, Esta idea se le todo el tiempo? ¿Y, si aun moviéndose aceleradamente, no emite luz?, Esta idea se le ocurrió a Bohr.
ocurrió a Bohr.
¿Cómo es posible esto?. Para que esto ocurra el electrón debe moverse en el ¿Cómo es posible esto?. Para que esto ocurra el electrón debe moverse en el átomo no de una forma cualquiera, sino por órbitas determinadas alrededor del núcleo. átomo no de una forma cualquiera, sino por órbitas determinadas alrededor del núcleo. No emitiendo luz en estas órbitas, el electrón puede vivir en el átomo tanto como se No emitiendo luz en estas órbitas, el electrón puede vivir en el átomo tanto como se quiera.
quiera.
De la física clásica no podía deducirse esta hipótesis. Tampoco se deducía de De la física clásica no podía deducirse esta hipótesis. Tampoco se deducía de ninguna otra teoría. Y como Bohr tampoco estaba en condiciones de demostrarlo, tuvo ninguna otra teoría. Y como Bohr tampoco estaba en condiciones de demostrarlo, tuvo que darle a su hipótesis no demostrada el modesto nombre de postulado. Añadiremos que darle a su hipótesis no demostrada el modesto nombre de postulado. Añadiremos que Bohr no consiguió demostrar esto dentro del marco de su teoría. La demostración que Bohr no consiguió demostrar esto dentro del marco de su teoría. La demostración llegó diez años después.
llegó diez años después.
Por ahora se nos plantea la pregunta: ¿hay muchas órbitas en las cuales el Por ahora se nos plantea la pregunta: ¿hay muchas órbitas en las cuales el electrón se mueva sin emitir luz? Sí, puede haber muchas, considera Bohr. ¿Y en qué se electrón se mueva sin emitir luz? Sí, puede haber muchas, considera Bohr. ¿Y en qué se diferencian? En la distancia media al núcleo: Hay órbitas próximas al núcleo y órbitas diferencian? En la distancia media al núcleo: Hay órbitas próximas al núcleo y órbitas alejadas. Pero lo principal no son las distancias, sino la energía que el electrón posee en alejadas. Pero lo principal no son las distancias, sino la energía que el electrón posee en
la órbita: cuanto más cerca del núcleo este el electrón, tanto más energéticamente debe la órbita: cuanto más cerca del núcleo este el electrón, tanto más energéticamente debe moverse para no caer en él. Y al contrario, un electrón lejano es atraído débilmente por el moverse para no caer en él. Y al contrario, un electrón lejano es atraído débilmente por el núcleo y, por consiguiente, puede moverse con menos energía para mantenerse en su núcleo y, por consiguiente, puede moverse con menos energía para mantenerse en su órbita.
órbita.
De aquí se deduce claramente que los caminos por los cuales se mueve el De aquí se deduce claramente que los caminos por los cuales se mueve el electrón en el átomo se diferencian por sus energías. Y lo principal, afirma Bohr, es que electrón en el átomo se diferencian por sus energías. Y lo principal, afirma Bohr, es que esta energía no puede tomar cualquier valor, sino sólo una serie de valores determinados. esta energía no puede tomar cualquier valor, sino sólo una serie de valores determinados.
Así pues, hasta aquí el elec
Así pues, hasta aquí el electrón se mueve por la órbita y no emite luz. Mientrtrón se mueve por la órbita y no emite luz. Mientras elas el electrón está en una órbita le está prohibido radiar.
electrón está en una órbita le está prohibido radiar. Ahora Bohr sigue adelante hacia el
Ahora Bohr sigue adelante hacia el segundsegundo postulado. Si el o postulado. Si el electrelectrón salta ón salta a otraa otra órbita, en la cual su energía es menor, ¿a dónde va a parar la energía sobrante? Porque órbita, en la cual su energía es menor, ¿a dónde va a parar la energía sobrante? Porque la energía no puede desaparecer o convertirse en nada. ¡Búsquenla fuera del átomo!, la energía no puede desaparecer o convertirse en nada. ¡Búsquenla fuera del átomo!, dice Bohr. Se desprendió del átomo en forma de cuanto. ¡El mismo cuanto de energía dice Bohr. Se desprendió del átomo en forma de cuanto. ¡El mismo cuanto de energía luminosa que introdujo Planck!
luminosa que introdujo Planck!
Y el electrón que emitió la luz se mueve ya por otra órbita y otra vez no emite. Este Y el electrón que emitió la luz se mueve ya por otra órbita y otra vez no emite. Este electrón lanzó un cuanto de luz (fotón) en el cortísimo instante en que saltaba de una electrón lanzó un cuanto de luz (fotón) en el cortísimo instante en que saltaba de una órbita a otra. Este cuanto de luz corresponde a la raya espectral que se observa en el órbita a otra. Este cuanto de luz corresponde a la raya espectral que se observa en el espectroscopio o a simple vista, o que se registra en la placa fotográfica.
espectroscopio o a simple vista, o que se registra en la placa fotográfica.
Midiendo la posición de esta raya en la placa fotográfica puede saberse la longitud Midiendo la posición de esta raya en la placa fotográfica puede saberse la longitud de onda del fotón o su frecuencia, y por la relación de Planck entre la frecuencia y la de onda del fotón o su frecuencia, y por la relación de Planck entre la frecuencia y la energía del fotón, puede conocerse la energía de este último. Esta energía es igual a la energía del fotón, puede conocerse la energía de este último. Esta energía es igual a la diferencia entre la energía del electrón en la órbita que se encontraba anteriormente y en diferencia entre la energía del electrón en la órbita que se encontraba anteriormente y en la órbita nueva.
la órbita nueva.
Y la intensidad de la raya espectral indica cuántos fotones llegaron a este sitio: Y la intensidad de la raya espectral indica cuántos fotones llegaron a este sitio: cuanto mayor sea su número, tanto más brillante será la imagen de la raya. Y la cantidad cuanto mayor sea su número, tanto más brillante será la imagen de la raya. Y la cantidad de fotones será tanto mayor, cuanto más intensa sea la luz del cuerpo que los emitió. de fotones será tanto mayor, cuanto más intensa sea la luz del cuerpo que los emitió.
¡Qué explicación más sencilla y elegante de los espectros a rayas! Todos los ¡Qué explicación más sencilla y elegante de los espectros a rayas! Todos los átomos de la misma especie se parecen entre sí como dos gotas de agua. Por átomos de la misma especie se parecen entre sí como dos gotas de agua. Por consiguiente, los electrones viven en ellos en las mismas condiciones. Por esto son consiguiente, los electrones viven en ellos en las mismas condiciones. Por esto son iguales los fotones que emiten cuando saltan de una misma órbita a otra misma órbita iguales los fotones que emiten cuando saltan de una misma órbita a otra misma órbita
nueva. Todos los saltos de electrones entre estas dos órbitas dan, al fin de cuentas, una nueva. Todos los saltos de electrones entre estas dos órbitas dan, al fin de cuentas, una raya espectral única.
raya espectral única.
Orbitas de este tipo hay muchas en los átomos, para cada uno de los electrones. Orbitas de este tipo hay muchas en los átomos, para cada uno de los electrones. El electrón puede encontrarse en cualquiera de ellas. Cada salto de una órbita de más El electrón puede encontrarse en cualquiera de ellas. Cada salto de una órbita de más energía a otra de menos, va acompañado del nacimiento de un fotón. Pero como la energía a otra de menos, va acompañado del nacimiento de un fotón. Pero como la diferencia de energía entre las diversas órbitas es distinta, los fotones que se obtienen diferencia de energía entre las diversas órbitas es distinta, los fotones que se obtienen poseen diferentes energía y frecuencia. En la placa fotográfica aparece toda una serie de poseen diferentes energía y frecuencia. En la placa fotográfica aparece toda una serie de rayas espectrales delgadas.
rayas espectrales delgadas. Antes
Antes de de que que apareciapareciera era la la teoría teoría de de Bohr, Bohr, los los físicfísicos os se se quebraquebraban ban la la cabezcabezaa intentando descifrar los espectros complejos. Cuando Bohr demostró que el espectro es intentando descifrar los espectros complejos. Cuando Bohr demostró que el espectro es la biografía de los átomos, o mejor dicho, de los electrones atómicos, la labor de los la biografía de los átomos, o mejor dicho, de los electrones atómicos, la labor de los científicos se simplificó incomparablemente. Combinando las diversas órbitas de los científicos se simplificó incomparablemente. Combinando las diversas órbitas de los electrones en el átomo pueden calcularse todas las rayas que se ven en el espectro. Y electrones en el átomo pueden calcularse todas las rayas que se ven en el espectro. Y viceversa, por el espectro que se observa puede sacarse una conclusión acerca de las viceversa, por el espectro que se observa puede sacarse una conclusión acerca de las condiciones en que se encuentran los electrones atómicos. ¡Y esto es muy importante! En condiciones en que se encuentran los electrones atómicos. ¡Y esto es muy importante! En realidad, casi todo lo que sabemos de la vida de los electrones en los átomos se ha ido realidad, casi todo lo que sabemos de la vida de los electrones en los átomos se ha ido acumulando como el resultado del estudio esmerado y minucioso de sus espectros.
acumulando como el resultado del estudio esmerado y minucioso de sus espectros. Así,
Así, la la teoríteoría a de de Bohr Bohr explicexplicó ó los los principrincipales pales hechos hechos experimexperimentalentales es de de lala espectroscopia. Más aún, esta teoría permitió comprender también la propia naturaleza espectroscopia. Más aún, esta teoría permitió comprender también la propia naturaleza de la cuantización de la energía de las radiaciones, en emisión por porciones.
de la cuantización de la energía de las radiaciones, en emisión por porciones.
Pero, a pesar de que hay respuesta, aún hay muchas preguntas que no pueden Pero, a pesar de que hay respuesta, aún hay muchas preguntas que no pueden responderse. Aunque con el modelo de Bohr puede entenderse el comportamiento responderse. Aunque con el modelo de Bohr puede entenderse el comportamiento espectroscópico del átomo de hidrógeno, no es aplicable a átomos con más de un espectroscópico del átomo de hidrógeno, no es aplicable a átomos con más de un electrón.
electrón.
La estabilidad de los gases nobles y la regularidad de sus números atómicos La estabilidad de los gases nobles y la regularidad de sus números atómicos dieron la clave para que surgieran los primeros modelos químicos de Lewis, Kossel y dieron la clave para que surgieran los primeros modelos químicos de Lewis, Kossel y Langmuir. Gracias a estas contribuciones y a la interpretación empírica de varios Langmuir. Gracias a estas contribuciones y a la interpretación empírica de varios espectros es nuevamente Bohr quien aparece en escena, proponiendo su principio de espectros es nuevamente Bohr quien aparece en escena, proponiendo su principio de construcción progresiva.
construcción progresiva.
Sin embargo, este primer modelo propuesto por Bohr nos da una idea clara de Sin embargo, este primer modelo propuesto por Bohr nos da una idea clara de cómo aparecen los espectros a rayas, y es suficiente para un curso a este nivel (Figura cómo aparecen los espectros a rayas, y es suficiente para un curso a este nivel (Figura
10). (Consultar apéndice II para revisar como obtuvo Bohr las ecuaciones que permiten 10). (Consultar apéndice II para revisar como obtuvo Bohr las ecuaciones que permiten predecir el espectro del hidrógeno).
predecir el espectro del hidrógeno).
Figura 10.
Figura 10. Modelo Atómico de Bohr.Modelo Atómico de Bohr.
Fotón de frecuencia Fotón de frecuencia h h E E E E 22 11
HISTORIA DEL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO HISTORIA DEL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
Newton obtuvo el espectro luminoso en 1666. Sin embargo, la existencia del Newton obtuvo el espectro luminoso en 1666. Sin embargo, la existencia del espectro no indica por sí misma la naturaleza de la luz, y ya desde ese entonces se espectro no indica por sí misma la naturaleza de la luz, y ya desde ese entonces se discutían dos teorías: La Teoría Ondulatoria y la Teoría Corpuscular.
discutían dos teorías: La Teoría Ondulatoria y la Teoría Corpuscular.
En 1803, el científico inglés Thomas Young (1773-1829) hizo que la opinión se En 1803, el científico inglés Thomas Young (1773-1829) hizo que la opinión se decantase por las ondas. Hizo pasar luz a través de dos pequeños orificios, de manera decantase por las ondas. Hizo pasar luz a través de dos pequeños orificios, de manera que los rayos, al ser proyectados, se superponían en una pantalla. Esta superposición no que los rayos, al ser proyectados, se superponían en una pantalla. Esta superposición no aumentaba simplemente la luz sobre la pantalla, sino que producía franjas alternas de luz aumentaba simplemente la luz sobre la pantalla, sino que producía franjas alternas de luz y sombra.
y sombra.
Si la luz estaba formada por partículas, no había manera de explicar las franjas Si la luz estaba formada por partículas, no había manera de explicar las franjas oscuras. Si estaba compuesta por ondas, era fácil comprender que, bajo determinadas oscuras. Si estaba compuesta por ondas, era fácil comprender que, bajo determinadas condiciones, algunas de las ondas podían moverse hacia arriba, y otras, hacia abajo, y condiciones, algunas de las ondas podían moverse hacia arriba, y otras, hacia abajo, y que ambos desplazamientos se contrarrestarían recíprocamente, no dejando nada. De que ambos desplazamientos se contrarrestarían recíprocamente, no dejando nada. De esta ma
esta manera las dos manchas de luz se “interferían”nera las dos manchas de luz se “interferían” mutuamente, y las zonas de luz y demutuamente, y las zonas de luz y de so
sombra fueron llamadas “mbra fueron llamadas “franjas de interferenciafranjas de interferencia”. (F”. (Favor de consultar Apéndice III)avor de consultar Apéndice III)
Partiendo de la anchura de las franjas de interferencia, Young pudo hacer el primer Partiendo de la anchura de las franjas de interferencia, Young pudo hacer el primer cálculo de la longitud de las ondas luminosas, y decidió que eran del orden de 1/127,000 cálculo de la longitud de las ondas luminosas, y decidió que eran del orden de 1/127,000 centímetros, lo cual es correcto. Determinó la longitud de onda de cada color y mostró, centímetros, lo cual es correcto. Determinó la longitud de onda de cada color y mostró, con razonable exactitud, que las longitudes de onda decrecían desde el rojo hasta el con razonable exactitud, que las longitudes de onda decrecían desde el rojo hasta el violeta.
violeta.
Los libros de texto que fijan límites entre los colores y dicen, por ejemplo, que el Los libros de texto que fijan límites entre los colores y dicen, por ejemplo, que el amarillo se extiende de una longitud particular a otra, son engañosos. Si uno recorre el amarillo se extiende de una longitud particular a otra, son engañosos. Si uno recorre el espectro viendo solo, por así decirlo, una longitud de onda cada vez, no existe un cambio espectro viendo solo, por así decirlo, una longitud de onda cada vez, no existe un cambio brusco del rojo al anaranjado, ni del anaranjado al amarillo. Hay un paso muy lento y brusco del rojo al anaranjado, ni del anaranjado al amarillo. Hay un paso muy lento y gradual, y es absolutamente imposible asegurar que
gradual, y es absolutamente imposible asegurar que ““en este punto el color ha dejado deen este punto el color ha dejado de ser rojo y es anaranjado”
ser rojo y es anaranjado”..
Es mejor dar una longitud de onda que esté en la mitad de la extensión de cada Es mejor dar una longitud de onda que esté en la mitad de la extensión de cada color; una longitud de onda que todas las personas con retinas normales convengan en color; una longitud de onda que todas las personas con retinas normales convengan en llamar rojo, verde, o lo que sea. A continuación se consignan las longitudes de onda llamar rojo, verde, o lo que sea. A continuación se consignan las longitudes de onda media de los seis colores del espectro.
COLOR
COLOR LONGITUD LONGITUD DE DE ONDA ONDA [nm] [nm] FRECUENCIA FRECUENCIA [EN [EN BILLONES]BILLONES] Rojo Rojo 700 700 430430 Anaranj Anaranjado ado 610 610 490490 Amaril Amarillo lo 575 575 520520 Verde Verde 525 525 570570 Azul Azul 470 470 640640 Violeta Violeta 415 415 720720
¿Qué longitud máxima puede alcanzar una onda sin dejar de producir un color ¿Qué longitud máxima puede alcanzar una onda sin dejar de producir un color percibido como rojo por la vista, y cual puede alcanzar como mínimo y seguir produciendo percibido como rojo por la vista, y cual puede alcanzar como mínimo y seguir produciendo un color percibido como violeta? Esto varía según los ojos, pero la máxima longitud de un color percibido como violeta? Esto varía según los ojos, pero la máxima longitud de onda roja, percibida por ojos normales antes de que se desvanezca, se considera onda roja, percibida por ojos normales antes de que se desvanezca, se considera generalmente de 760 nanómetros, mientras que la más corta en el violeta es de 380 generalmente de 760 nanómetros, mientras que la más corta en el violeta es de 380 nanómetros.
nanómetros. A conti
A continuaciónuación podemn podemos formulos formularnos larnos la siguiea siguiente pregunte pregunta: ¿Exnta: ¿Existen listen longituongitudes dedes de onda mayores de 760 nm y/o menores de 380 nm o simplemente esta la única región del onda mayores de 760 nm y/o menores de 380 nm o simplemente esta la única región del espectro que podemos ver?
espectro que podemos ver?
Región de Infrarrojo Región de Infrarrojo
En 1800, el astrónomo Germano-británico William Hershel (1738-1822), quien se En 1800, el astrónomo Germano-británico William Hershel (1738-1822), quien se hizo famoso dos decenios antes al descubrir Urano, estaba experimentando con el hizo famoso dos decenios antes al descubrir Urano, estaba experimentando con el espectro. Era del dominio público que, cuando la luz del sol caía sobre uno, se espectro. Era del dominio público que, cuando la luz del sol caía sobre uno, se experimentaba una sensación de calor. La impresión general era que el sol irradiaba luz y experimentaba una sensación de calor. La impresión general era que el sol irradiaba luz y calor, y que ambas eran dos cosas separadas.
calor, y que ambas eran dos cosas separadas.
Hershel se preguntaba que si la radiación calórica se distribuía en un espectro Hershel se preguntaba que si la radiación calórica se distribuía en un espectro como la luz, y pensó que podría sacar alguna conclusión sobre el asunto si colocaba la como la luz, y pensó que podría sacar alguna conclusión sobre el asunto si colocaba la ampolla de un termómetro en diferentes partes del espectro. Al ser la porción del amarillo, ampolla de un termómetro en diferentes partes del espectro. Al ser la porción del amarillo, en mitad del espectro, aparentemente la más brillante, supuso que la temperatura se en mitad del espectro, aparentemente la más brillante, supuso que la temperatura se elevaría al progresar desde cualquier extremo del espectro hacia la mitad de éste.