Espectros de emisión y absorción

¿Qué es un espectro?

El espectro de una luz es el conjunto de luces “puras” que contiene, caracterizándose cada una de estas luces “puras” por su color (si es luz visible) y por su longitud de onda.

El espectro se puede visualizar:

  • A menudo en forma de tira en la que todas las luces de color presentes aparecen dispuestas en un eje horizontal de longitudes de onda crecientes (por tanto, las luces violetas están a la izquierda y las rojas a la derecha)
  • En forma de un gráfico llamado perfil espectral que muestra la intensidad luminosa (en la ordenada) en función de la longitud de onda (en la abscisa), pero este tipo de representación se utiliza principalmente en astrofísica para analizar la luz de las estrellas

El espectroscopio

Un espectroscopio es un dispositivo que permite ver un espectro, ya sea por proyección en una pantalla o por visión directa.

Se basa en la utilización de un sistema de dispersión que provoca una desviación de la luz en función de un ángulo que depende de su longitud de onda, dicho sistema es de carácter general:

  • Una rejilla, que es una superficie con estrías estrechamente espaciadas que aprovecha el fenómeno de la difracción (se trata en el último año de la escuela secundaria)
  • Un prisma cuyo material tiene un índice de refracción en función de la longitud de onda que (según la ley de refracción de Descartes n1sin(i1)=n2sin(i2)) da lugar a desviaciones sucesivas que separan las luces de diferentes colores.

Un espectroscopio suele combinar una serie de otros elementos ópticos con este sistema de dispersión, como un diafragma y lentes.

Espectro de emisión

Se trata del espectro de luz emitido por una fuente. Se distingue entre los espectros de emisión lineal y los de emisión continua.

Espectros de emisión de líneas

Los espectros de emisión de líneas están formados, como su nombre indica, por líneas luminosas que coinciden con una determinada longitud de onda. Las luces con este tipo de espectro suelen obtenerse excitando eléctricamente un gas, que puede ser, por ejemplo, vapor de mercurio o de sodio. Aplicando una alta tensión entre dos electrodos separados por dicho gas, se obtiene una emisión luminosa (¡como en un flash!) durante la cual la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. Para obtener no un simple destello de luz sino una emisión continua, las tensiones aplicadas a los electrodos son alternas.

Espectros de emisión de líneas foto

Las líneas que componen este tipo de espectro son características del elemento químico que emite la luz: cada elemento tiene una determinada línea (y su longitud de onda) o serie de líneas.
Por el contrario, la observación de una determinada serie de líneas permite identificar el elemento químico emisor.

Si un espectro tiene una sola línea de color, la luz es monocromática; si hay varias líneas, la luz es policromática.

Espectro de emisión continuo

Un espectro de emisión continua consiste en una banda “completa” de luz coloreada que puede corresponder a toda la luz visible o sólo a una parte de ella. Esta “banda” de luz abarca una gama completa de longitudes de onda y no sólo valores discretos como los de la luz con un espectro de emisión lineal.

Espectro de emisión continuo foto

La distribución de la luz coloreada en dicho espectro es, por tanto, continua, pero esta distribución no es uniforme, algunas longitudes de onda están “más” presentes que otras y la luz coloreada correspondiente tiene una mayor intensidad luminosa.

Cada espectro continuo tiene una longitud de onda (a menudo anotada como λmax) para la cual la intensidad luminosa es máxima y este valor está directamente relacionado con la temperatura de la fuente, cuanto mayor sea la temperatura de la fuente de emisión, menor será el valor de λmax como resultado:

Un espectro continuo rico en luz azul-violeta (por tanto, en longitudes de onda cortas) corresponde, por tanto, a la luz emitida por una fuente de mayor temperatura que otra cuya luz tiene un espectro que incluye más longitudes de onda altas (hacia el rojo).

La relación entre la temperatura y λmax está descrita precisamente por la ley de Wien, que conocimos en primero de bachillerato, y que establece una relación que permite deducir λmax a partir del valor de la temperatura de la fuente y viceversa.

La luz con un espectro continuo es emitida por fuentes de alta temperatura que convierten permanentemente la energía térmica en energía luminosa, que podrían llamarse fuentes calientes (por ejemplo, la lava fundida, una llama, el filamento de una lámpara incandescente, el sol, etc.).

Espectro de absorción

Un espectro de absorción está formado por las luces de colores del espectro visible, pero contiene líneas oscuras que coinciden con determinadas longitudes de onda.

Espectro de absorción foto

Cuando la luz con un espectro continuo pasa a través de un medio material (por ejemplo, un gas), los elementos químicos de ese medio absorben determinadas longitudes de onda y el resultado es una luz con un espectro de absorción en el que cada línea negra está causada por la absorción de un elemento químico en la trayectoria de la luz.

Los diferentes conjuntos de líneas negras en un espectro de absorción son característicos de un elemento químico: son líneas asociadas a la misma longitud de onda que las líneas de color en el espectro de emisión del elemento químico.

La luz que puede emitir un elemento químico es también la que puede absorber, por lo que un espectro de absorción, al igual que un espectro de emisión, identifica el elemento que es la fuente.