ESPECTROS Y ÁTOMOS

Una de las dudas, que nos surgen cuando reflexionamos sobre el cosmos es, cual es  la composición de los astros que vemos,el filosofo Augusto Comte llego a definir esta cuestión como un problema irresoluble.Desde las primeras decadas del siglo XX,para averiguar la composición química de los objetos distantes, nos servimos del único componente físico que tenemos de ellos,su luz.El análisis de la escasa luz que nos llega a la Tierra, es suficiente para averiguar muchas cosas sobre los objetos distantes,no solo su composición ,también podemos averiguar muchos aspectos relacionados con sus condiciones físicas.La disciplina científica de la espectroscopia, es la encargada de estudiar y analizar la luz, y descubrir los secretos que encierra entre sus fotones. Conocer la radiación electromagnética, es pues ,un requisito imprescindible para comprender como se descubren los secretos de las estrellas. Para cada átomo o  cada compuesto químico,el espectro que genera es una especie de huella dactilar.Pero vamos a ver como empezó todo.

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Todo comenzó con las modernas teorías atómicas surgidas en las primeras décadas del siglo XIX. Los científicos de la época establecieron la existencia de un numero limitado de sustancias simples(elementos químicos),constituidas por una única especie de partícula  individual o átomo;todas las demás sustancias identificables químicamente están constituidas por dos o más átomos ,es decir son combinaciones de elementos.Los átomos se indican con símbolos como; H para el hidrógeno,C para el carbono,O es el oxigeno,Na el sodio,etc,etc. Las moléculas se nombran con una combinación de símbolos atómicos  y añadiendo subindices que indican cuantos átomos contiene determinado elemento de la molécula;H2O significa que, en esta molécula el hidrógeno aporta 2 átomos y el oxigeno 1.

Aprovechando los avances que se estaban dando en la incipiente ciencia de la espectroscopia,algunos científicos comenzaron a interesarse por los espectros producidos por los elementos químicos, así en 1859 Kirchhof y Bunsen descubrieron que el espectro de una sustancia simple en estado gaseoso y a temperatura suficientemente elevada, consiste en un conjunto de lineas luminosas,que son características de cada elemento por su posición y por la distribución de su intensidad.Este hecho demostraba que los gases irradian luz  en una determinada longitud de onda propia de cada gas.Los cuerpos sólidos incandescentes producen un espectro continuo,a diferencia de las lineas que generan los espectros de los gases.Este espectro continuo se produce en la región visible(entre 400 y 700 nanometros de longitud de onda)y se muestra como una banda con los colores del arco iris,desde el violeta hasta el rojo.

Espectro continuo

Kirchchof observo que si una fuente de luz continua procedente de un solido incandescente atraviesa una masa de gas,se produce un espectro diferente.En el espectro aparecen las lineas típicas de los gases pero en este caso oscuras y superpuestas sobre el espectro continuo de colores.

Estas lineas corresponden evidentemente a la luz que falta del espectro continuo e indican que la luz a sido absorbida por los gases,por ese motivo recibieron el nombre de lineas de absorción. Así pues ,un gas absorbe las mismas radiaciones que es capaz de emitir,esta es la famosa ley de Kirchchof.

Ya sabemos que cada elemento químico es reconocible por sus lineas espectrales características,pero también las moléculas tienen sus “huellas dactilares”,en este caso sus espectros se caracterizan por mostrar franjas luminosas(emisión) u oscuras(absorción) más anchas que las lineas y que reciben el nombre de bandas.Un espectro que presente lineas revela la presencia de gases atómicos,mientras que un espectro que muestre bandas es señal de gases moleculares.Sin embargo,aun cuando los científicos del siglo XIX  sabían utilizar perfectamente la espectroscopia,estaban lejos de poder explicar su origen.

En 1911,E. Ruthherford desentraño los misterios del átomo y demostró que estaba constituido por un  núcleo central,con carga eléctrica positiva,donde se concentra prácticamente toda su masa,y por partículas con carga eléctrica negativa(los electrones),que se mueven a su alrededor.Poco después se descubrió que el núcleo se compone a su vez de dos tipos de partículas: los protones, de carga positiva y de masa 1840 veces superior a los electrones y los neutrones,de masa casi igual a la del proton pero sin carga eléctrica. En los átomos,los electrones igualan en numero a los neutrones ,por lo que la carga eléctrica  total del átomo es nula.Cada átomo posee una determinada carga positiva que es igual al numero de protones que tiene y una masa que es igual a la suma de las masas de los protones y los neutrones. Con estas unidades de medida tenemos que la carga eléctrica del núcleo es el numero atomico,mientras que la masa es el numero de masa.

Las dimensiones del átomo son fascinantes,el núcleo se encuentra limitado en una circunferencia de una cienbillonesima de milímetro,mientras que los electrones tienen órbitas con un radio 100.000 veces mas grande.Las órbitas de los electrones establecen los “limites” del átomo con lo que el núcleo ocupa apenas una cienmilbillonesima parte del volumen total del átomo. Para que nos hagamos una idea,si dividimos un milimetro en 100 billones de partes,una parte es una cienbillonesima.

Al principio,muchos teóricos rechazaron el modelo atomico de Ruthherford,con un nucleo rodeado de electrones que lo orbitan. Su oposición se basaba en postulados de la fisica clásica ,según la cual las partículas cargadas electricamente y sometidas a una aceleración, emiten radiación electromagnética. El electrón es una partícula cargada y tiene que estar acelerado para mantenerse en órbitas estables alrededor del nucleo. En estas condiciones,los electrones deberían radiar su energía  y acabar cayendo sobre el nucleo en poco tiempo.Los átomos deberían ser sumamente efímeros e inestables,sin embargo son estables ¿como se podía resolver este enigma?

La solución vino de manos de un joven físico danes llamado Niels Bohr. En 1913 este genio de la fisica concibió la teórica cuántica del átomo. Bohr afirmaba que no era posible que los electrones siguieran cualquier órbita definida por las leyes de la dinámica,como postulaba la fisica clásica. Según Bohr,los electrones de un átomo solo pueden encontrarse en unas ciertas órbitas permitidas y ,a cada una de estas órbitas, le corresponde una cierta cantidad de energía, o nivel energético, que depende de la distancia al nucleo.

Bohr señalo que siempre que el electrón se mantenga en una órbita permitida no hay ni emisión  ni absorción de radiación,con lo que la pregunta anterior queda resuelta.Sin embargo esto no supone que los electrones siempre estén en la misma órbita,según Bohr,el electrón puede saltar de una órbita a otra.En este caso se produce una emisión o absorción de una cantidad de energía  igual a la diferencia entre la energía de las dos órbitas en cuestión.Cuando el electrón pasa de una órbita alta a una más baja,se emite un paquete de energía o cuanto,en forma de luz,(emisión). Cuando se pasa de una órbita baja  a otra más alta,el electrón absorbe un cuanto de luz de su entorno(absorción).

El cuanto de luz emitido o absorbido por el electrón no puede ser uno cualquiera,sino que tiene que tener una longitud de onda especifica,cuya frecuencia viene dada por la diferencia de energía entre lo dos niveles del salto cuántico. Así pues a cada salto le corresponde una radiación de determinada frecuencia y, por lo tanto,unas lineas espectrales especificas.De esta forma se explica la ley de Kirchhoff,según la cual una sustancia emite las mismas radiaciones que es capaz de absorber. Cada tipo de átomo tiene su propia y esclusiva distribución de órbitas y niveles energéticos,de manera que cada elemento químico puede emitir o absorber luz solo de ciertas longitudes de onda concretas,motivo por el cual cada uno de ellos posee un conjunto propio de lineas espectrales.

Cuando el átomo absorbe energía y el electrón se desplaza a un nivel superior,se dice que esta excitado. Sin embargo,en muy poco tiempo,el electrón vuelve a caer al nivel normal de energía y pierde la excitación,en ese momento reemite,en forma de radiación electromagnética,la energía que había recibido.Si el átomo absorbe suficiente energía,el electrón puede alcanzar una velocidad suficiente,que le permita escaparse del nucleo. De esta forma,el átomo que pierde electrones deja de ser neutro y adquiere carga eléctrica,se ha convertido en un Ion.El espectro de los gases formados por iones es diferente al de los gases formados por átomos neutros y las lineas se encuentran desplazadas a longitudes de onda mayores.

Espectros de diferentes estrellas

Como hemos visto antes,las moléculas también emiten y absorben radiación en longitudes de onda características,produciendo amplias bandas en lugar de lineas.La razón se encuentra en la complicada estructura de las moléculas,con dos o más núcleos que comparten una serie de electrones.La emisión de 21 cm del hidrógeno molecular es de gran importancia para el estudio del gas interestelar,así como para la investigación sobre la estructura de nuestra galaxia.Las estrellas más frías llegan a formar moléculas simples en sus atmósferas,lo cual modifica sus espectros observados.

Ya hemos visto que el estudio de la luz de las estrellas resuelve el problema que plateaba Comte y nos abre la puerta a todo un mundo de descubrimientos en el universo.

 

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2 Respuestas a “ESPECTROS Y ÁTOMOS

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