Espectros atómicos

Espectros de líneas en lugar de un arcoíris continuo

Un objeto caliente y denso puede producir un espectro continuo amplio, pero un gas atómico excitado y poco denso produce líneas de emisión nítidas. Cuando la luz continua atraviesa un gas atómico más frío, esas mismas transiciones permitidas aparecen como líneas oscuras de absorción.

La emisión y la absorción son dos sentidos del mismo sistema de niveles de energía.

El hidrógeno y la relación de Rydberg

Para el hidrógeno, las longitudes de onda pueden predecirse mediante:

La línea Hα de Balmer, alrededor de 656 nm, procede de n=3 → 2; Hβ, cerca de 486 nm, procede de n=4 → 2.

Espectros de átomos multielectrónicos

Los átomos con muchos electrones presentan muchas más transiciones porque las energías de las subcapas, las interacciones electrón–electrón, el acoplamiento espín–órbita y las reglas de selección generan numerosos estados. Por ello, cada elemento muestra un bosque característico de líneas en lugar de una secuencia simple como la del hidrógeno.

La intensidad de una línea también aporta información: depende de las probabilidades de transición y de las poblaciones de los estados iniciales, no solo de la existencia de dos niveles de energía.

De la longitud de onda a la identificación química

La espectroscopia permite identificar átomos en llamas, plasmas, estrellas y descargas de laboratorio. La calibración es esencial: las longitudes de onda medidas se comparan con patrones conocidos y el poder de resolución debe ser suficiente para separar líneas próximas.

Una línea espectral no es literalmente un electrón coloreado. Es un fotón producido o absorbido cuando cambia el estado cuántico del átomo.

Calculadora de transiciones del hidrógeno

Ensanchamiento y medidas reales

Las líneas reales tienen una anchura finita. El movimiento térmico produce ensanchamiento Doppler; las colisiones causan ensanchamiento por presión; la vida finita del estado excitado origina ensanchamiento natural. Los instrumentos añaden además su propia función de resolución.

Estas anchuras no son simples imperfecciones: pueden revelar temperatura, presión, velocidad y entorno local.

Los límites de las series revelan energías de ionización

Dentro de una serie del hidrógeno, las líneas se aproximan progresivamente a medida que n_alto aumenta. En el límite de la serie, el estado superior ha alcanzado el continuo: el átomo se ha ionizado.

Para las transiciones que parten del estado fundamental del hidrógeno, el límite de la serie de Lyman corresponde por tanto a 13,6 eV. La convergencia espectral demuestra directamente que los niveles ligados se acumulan hacia un umbral de ionización finito, en lugar de continuar indefinidamente con separaciones iguales.

Leer un espectro como datos

Un espectro es, por tanto, mucho más que un código de barras para identificar un elemento. Puede diagnosticar temperatura, densidad, velocidad y campos locales.

Espectrómetros, calibración y poder de resolución

Un espectrómetro separa las longitudes de onda mediante una red de difracción, un prisma o un método interferométrico y registra la intensidad en función de la longitud de onda o la frecuencia. La calibración con líneas conocidas convierte la posición en el detector en longitud de onda.

El poder de resolución determina si dos rasgos espectrales próximos aparecen como líneas separadas. Una resolución mayor puede revelar desplazamientos isotópicos, estructura fina o componentes ensanchados por presión que un instrumento de menor resolución fusionaría.

En astronomía, los mismos principios permiten identificar elementos en atmósferas estelares sin recoger una muestra física. Los átomos revelan su estructura energética mediante la luz que absorben y emiten.

Espectros atómicos frente a espectros moleculares

Los átomos presentan transiciones electrónicas, pero no rotación ni vibración molecular. Las moléculas añaden grados de libertad rotacionales y vibracionales, de modo que una transición electrónica puede ir acompañada de numerosos cambios vibracionales y rotacionales. Por ello, los espectros moleculares suelen formar bandas con una estructura interna mucho más rica.

Esta distinción importa al interpretar un espectro de llama o de descarga. Líneas atómicas estrechas y aisladas pueden coexistir con bandas moleculares más anchas de especies transitorias en la misma fuente.

Ensayos a la llama e identificación en laboratorio

Calentar una sal en una llama excita algunos átomos o iones, que pueden emitir luz visible característica. La intensa emisión amarilla del sodio es tan fuerte que trazas de contaminación por sodio pueden dominar el color de la llama.

Un espectrómetro es más fiable que el ojo porque separa las longitudes de onda y puede distinguir emisores solapados. El color cualitativo de la llama es útil como demostración; las posiciones de las líneas proporcionan la verdadera huella analítica.

La espectroscopia cuantitativa requiere algo más que identificar una línea. La respuesta del detector, la intensidad de la fuente, la autoabsorción y la calibración afectan a la intensidad medida.

Ejercicios

Identificación de Balmer

¿Qué serie contiene la transición del H 4 → 2?

Emisión frente a absorción

¿Por qué la misma longitud de onda puede aparecer brillante en un espectro y oscura en otro?

Anchura de línea

Indica una causa física del ensanchamiento espectral.