SERIES ESPECTRALES

Espectros atómicos.

Cuando a los elementos en estado gaseoso se les suministra energía (descarga eléctrica, calentamiento...) éstos emiten radiaciones de determinadas longitudes de onda.

Estas radiaciones dispersadas en un prisma de un espectroscopio se ven como una serie de rayas, y el conjunto de las mismas es lo que se conoce como espectro de emisión.

Igualmente, si una luz continua atraviesa una sustancia, ésta absorbe unas determinadas radiaciones que aparecen como rayas negras en el fondo continuo (espectro de absorción).

Series espectrales.

Las diferentes líneas que aparecieron en el espectro del hidrógeno se podían agrupan en diferentes series cuya longitud de onda es más parecida:

·       Serie Lyman:        zona ultravioleta del espectro.

·       Serie Balmer:       zona visible del espectro.

·       Serie Paschen     zona infrarroja del espectro.

·       Serie Bracket:      zona infrarroja del espectro.

·       Serie Pfund:         zona infrarroja del espectro.

Ley de Rydberg. ·

La relación entre las longitudes de onda de las distintas rayas del espectro del hidrógeno viene dada por la expresión:

1/l = RH · [(1/n12) - (1/n22)]

Donde n1 y n2 son números naturales, cumpliéndose siempre que  n2 > n1, con lo que el paréntesis queda positivo. R es una constante llamada constante de Rydberg cuyo valor es: R = 1,0968 x 107 m–1.

·       Si n1 = 1; n2 = 2, 3, 4, 5, ...           Serie Lyman

·       Si n1 = 2; n2 = 3, 4, 5, 6, ...           Serie Balmer

·       Si n1 = 3; n2 = 4, 5, 6, 7, ...           Serie Paschen

·       Si n1 = 4; n2 = 5, 6, 7, 8, ...           Serie Bracket

·       Si n1 = 5; n2 = 6, 7, 8, 9, ...           Serie Pfund .

 

Serie nf ni Región del espectro
Lyman 1 2,3,4,... Ultravioleta
Balmer 2 3,4,5,... Visible y UV
Paschen 3 4,5,6,... Infrarrojo
Brackett 4 5,6,7,... Infrarrojo

 

 

EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Espectro electromagnético Completo

Relaciones Fundamentales

Relación entre la longitud de onda (), la frecuencia () y la velocidad de propagación:() de la luz en el vacío::

Relación entre la velocidad de propagación de la luz en el vacío ( ), la perimitividad ()y la permeabilidad: ()::

donde:

Relación entre la energía de un fotón (cuantum de energía electromagnética) y la frecuencia de la onda electromagnética:

Ecuación de Planck:

donde h es la constante de Planck:

Bohr, basándose en la interacción electrostática y en las leyes del movimiento de Newton demostró que la energía que tiene el electrón en el átomo de hidrógeno viene dado por:

Donde RH la constante de Rydberg tiene un valor de:    RH = 2,18· 10 -18 J

La variación de energía de una transición vendrá dada, según la ecuación de Planck por:

donde h es la constante de Planck: h=6,63·10-34 J·s

 

 

 

Solución A.3

Es un proceso de emisión de energía, pues nf < ni . Cómo ni = 2, esta transición da lugar a una línea espectral de la serie de Balmer en la región del visible.

Böhr, basándose en la interacción electrostática y en las leyes del movimiento de Newton demostró que la energía que tiene el electrón en el átomo de hidrógeno viene dado por:

 

 

 

La variación de energía de una transición vendrá dada, según la ecuación de Plank por:

Donde RH la constante de Rydberg tiene un valor de 2,18·10-18 J

 

Sustituyendo obtenemos que:

Con lo que la longitud de onda correspondiente a dicha transición, vendrá dada por:

 

 

Solución:  l= 434 nm

La cual corresponde a la región visible de la radiación electromagnética

 

Espectros de emisión y espectros de absorción:

Cuando un elemento irradia energía no lo hace en todas las longitudes de onda. Solamente en aquellas de las que está “provisto”. Esas longitudes de onda sirven para caracterizar, por tanto, a cada elemento. También ocurre que cuando un elemento recibe energía no absorbe todas las longitudes de onda, sino solo aquellas de las que es capaz de “proveerse”. Coinciden por tanto, las bandas del espectro en las que emite radiación con los huecos o líneas negras del espectro de absorción de la radiación, como si un espectro fuera el negativo del otro.

 

 

Se acostumbra a llamar “cuerpo negro” al cuerpo ideal que absorbe todas las longitudes de onda y, por consiguiente, emite radiación también a todas las longitudes de onda. Sería, en definitiva, un emisor perfecto de radiación. A cada temperatura emitiría una cantidad definida de energía por cada longitud de onda.

El fracaso en el intento de explicar la radiación del cuerpo negro desde los conceptos de la física condujo al descubrimiento de Planck de que la emisión de energía es un múltiplo de la frecuencia de a radiación:

E = h. n

Los espectros de absorción:

Y también los cuerpos absorben radiación emitida desde otros cuerpos, eliminando del espectro de radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, que quedan de color negro. Son lo que se llaman “rayas negras” o simplemente “rayas” del espectro.

También ocurre con la absorción, que unos cuerpos absorben la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no absorben la radiación de otras longitudes de onda, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico en realidad, tiene su propio espectro de absorción, correspondiéndose con su espectro de emisión, cual si fuera el negativo con el positivo de una película.

  Los espectros de emisión:

 

Todos los cuerpos emiten energía a ciertas temperaturas. El espectro de la radiación energética emitida es su espectro de emisión. Todos los cuerpos no tienen el mismo espectro de emisión. Esto es, hay cuerpos que emiten en el infrarrojo, por ejemplo, y otros cuerpos no.

En realidad, cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión. Y esto sirve para identificarlo y conocer de su existencia en objetos lejanos, inaccesibles para nosotros, como son las estrellas.

 

 

 

 

Espectro de absorción y de emisión del Hidrógeno

 

Espectro de absorción y de emisión del Neón

Espectroscopios:

Son aparatos que dispersan la radiación incidente, lo cual se puede realizar por refracción en los llamados espectroscopios de prisma o bien por difracción, en los espectroscopios de red.

El espectroscopio de prisma fue desarrollado a partir de 1859 por los alemanes Kirchoff y Bunsen.

En el espectroscopio de red se consigue dispersar la radiación mediante una superficie reflectante sobre la cual se han trazado miles de surcos paralelos muy finos. Un CD ROM , y debido a sus líneas, es un ejemplo elemental de espectroscopio de red.

 

Espectrógrafos:

Son instrumentos que registran fotográficamente, o por medio de detectores fotosensibles, las diferentes componentes del espectro. Su estructura es similar a la del espectroscopio, sustituyendo el ocular por una placa fotográfica o un detector.

Las siguientes imágenes corresponden a tipos diferentes de espectrógrafos:

 

Espectrómetros:

Se ha desarrollado comercialmente una gran variedad de tipos de espectrómetros, prácticamente, existe un espectrómetro especializado en cada tipo de medición.

Podemos encontrar fácilmente en la red la características de muchos tipos de espectrómetros:

Espectrómetro de rayos gamma, con diferentes tipos utilizados en Astrofísica para detectar esta forma de radiación.

Espectrómetros de emisión óptica.

Espectrómetro de masas.

Espectrómetro de masas de alta resolución.

Espectrómetro de masas de baja resolución.

Especializados en radiación térmica infrarroja.

También se pueden encontrar en la red Applets que permiten simular pruebas de experimentación del espectrógrafo de masas , con carácter educativo.

Espectrómetro de neutrones, utilizado en trabajos de investigación lunar.

Espectrofotómetro: Se basan en la absorción, emisión o fluorescencia por átomos o iones elementales