Espectro de emisión (ESCQS)
Has aprendido anteriormente sobre la estructura de un átomo. Los electrones que rodean el núcleo atómico están dispuestos en una serie de niveles de energía creciente. Cada elemento tiene un número único de electrones en una configuración única, por lo que cada elemento tiene su propio conjunto de niveles de energía. Esta disposición de los niveles de energía constituye la huella dactilar única del átomo.
A principios del siglo XX, los científicos descubrieron que un líquido o un sólido calentado a altas temperaturas emitía una amplia gama de colores de luz. Sin embargo, un gas calentado a temperaturas similares sólo emite luz en determinadas longitudes de onda (colores). La razón de esta observación no se entendía en aquel momento.
Los científicos estudiaron este efecto utilizando un tubo de descarga.
Figura 12.5: Diagrama de un tubo de descarga. El tubo está lleno de un gas. Cuando se aplica un voltaje suficientemente alto a través del tubo, el gas se ioniza y actúa como un conductor, permitiendo que fluya una corriente a través del circuito. La corriente excita los átomos del gas ionizado. Cuando los átomos vuelven a su estado de reposo, emiten fotones para eliminar el exceso de energía.
Un tubo de descarga (mostrado en la Figura 12.5) es un tubo de vidrio lleno de gas con una placa metálica en ambos extremos. Si se aplica una diferencia de voltaje lo suficientemente grande entre las dos placas metálicas, los átomos de gas del interior del tubo absorberán suficiente energía para que se desprendan algunos de sus electrones, es decir, los átomos de gas se ionizan. Estos electrones comienzan a moverse por el gas y crean una corriente, que eleva algunos electrones de otros átomos a niveles de energía más altos. A continuación, cuando los electrones de los átomos vuelven a caer, emiten radiación electromagnética (luz). La cantidad de luz emitida en diferentes longitudes de onda, llamada espectro de emisión, se muestra para un tubo de descarga lleno de gas hidrógeno en la figura 12.6. Sólo se ven ciertas longitudes de onda (es decir, colores) de la luz, como muestran las líneas de la imagen.
Figura 12.6: Diagrama del espectro de emisión del hidrógeno en el espectro visible. Son visibles cuatro líneas, etiquetadas con sus longitudes de onda. Las tres líneas en el rango \(\text{400})-\(\text{500}) \(\text{m}) están en la parte azul del espectro, mientras que la línea más alta (\text{656}) \(\text{m})) está en la parte roja/naranja.
Con el tiempo, los científicos se dieron cuenta de que estas líneas provienen de fotones de una energía específica, emitidos por electrones que realizan transiciones entre niveles de energía específicos del átomo. La figura 12.7 muestra un ejemplo de esto. Cuando un electrón de un átomo cae de un nivel de energía superior a otro inferior, emite un fotón para llevarse la energía extra. La energía de este fotón es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles energéticos (\(\Delta E\)).
Como ya hemos comentado, la frecuencia de un fotón está relacionada con su energía a través de la ecuación \(E=hf\). Dado que una frecuencia (o longitud de onda) específica del fotón nos da un color específico, podemos ver cómo cada línea de color está asociada a una transición específica.
Figura 12.7: En el primer diagrama se muestran algunos de los niveles de energía de los electrones para el átomo de hidrógeno. Las flechas muestran las transiciones de los electrones desde los niveles de energía más altos a los niveles de energía más bajos. Las energías de los fotones emitidos son iguales a la diferencia de energía entre dos niveles energéticos. Se puede pensar en la absorción como el proceso opuesto. Las flechas apuntarían hacia arriba y los electrones saltarían a niveles superiores cuando absorben un fotón de la energía adecuada. La segunda representación muestra las longitudes de onda de la luz que se emite para las distintas transiciones. Las transiciones se agrupan en una serie basada en el nivel más bajo implicado en la transición.
La luz visible no es el único tipo de radiación electromagnética emitida. Las transiciones más o menos energéticas pueden producir radiación ultravioleta o infrarroja. Sin embargo, como cada átomo tiene su propio conjunto de niveles de energía (¡su huella digital!), cada átomo tiene su propio espectro de emisión distinto.