¿Cómo se puede identificar un elemento químico por sus líneas espectrales?

Huellas digitales elementales.

Cada elemento químico en particular tiene su propia “relación” única entre su núcleo cargado positivamente y sus electrones cargados negativamente, de modo que no hay dos relaciones entre la miríada de elementos y sus sistemas electrónicos. Esta relación, llamada “vínculo”, tiene precisamente una “fuerza” emergente. Denotamos la fuerza de cada enlace numéricamente con una energía específica. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno, el elemento más simple y más fácil de modelar, tienen un enlace entre su único núcleo de protones con carga positiva y su electrón con carga negativa que está bien caracterizado a través de la teoría y la evidencia experimental.

Estos enlaces elementalmente únicos forman la base para la identificación espectral, llamadas líneas Fraunhofer Líneas Fraunhofer – Wikipedia, o espectros de absorción.

Resulta que cada enlace electrón-núcleo particular solo puede absorber una partícula de luz (fotón) de un nivel de energía (frecuencia o longitud de onda) igualmente bien definido o, lo que es más importante, un número entero múltiplo de ese nivel de energía bien definido. Por ejemplo, si uno hiciera brillar un amplio espectro de luz a través de una atmósfera pura de, digamos hidrógeno (o cualquier gas en particular), y luego enfocara la luz que emergió del otro extremo, a través de un prisma, entonces uno se encontraría revelado en En el espectro, ciertas frecuencias específicas de fotones se reducirían mucho en comparación con la luz que entraba. En resumen, el espectro de luz mostraría líneas oscuras a intervalos específicos. Llamaríamos a esto un “espectro de absorción”, y es específico y único para cada elemento.

Sorprendentemente, si tomamos hidrógeno, o cualquier gas, cuyos electrones se hayan excitado de esta manera, y luego dejamos que los electrones del gas se “relajen” de nuevo a su estado base, emitirán fotones al medio ambiente en cantidades discretas y prescritas. Si luego enfocamos esta luz emitida a través de un prisma, veríamos emerger una serie de líneas que son discretas y elementalmente únicas. Este es un “espectro de emisión”, y también es una forma de tomar huellas digitales.

A mediados de 1800 ya se habían determinado los espectros de emisión de los elementos conocidos en la Tierra. Sin embargo, un misterio surgió en 1868 cuando se descubrieron líneas amarillas brillantes correspondientes a ningún elemento conocido al revisar los espectros de emisión de la atmósfera del sol, la cromosfera. Se planteó la hipótesis de que un elemento desconocido estaba causando estas líneas espectrales. Este nuevo elemento recibió un nombre basado en la palabra griega para el Sol, Helios: Helio. El helio se detectó por primera vez en la Tierra en 1885, pero no se aisló hasta 1895.

Hoy en día, los espectros de emisión se usan rutinariamente para estudiar objetos estelares ionizados calientes y nubes de gas ionizado. Los espectros de absorción se utilizan para estudiar la composición molecular de los objetos en primer plano más fríos que filtran la luz de fondo.

También es interesante observar que las “huellas digitales” espectrales no se relegan solo a los enlaces electrónicos del estudio. Los espectros de rayos gamma también se pueden usar para estudiar núcleos atómicos radiactivos y excitados altamente energizados, así como restos estelares como estrellas de neutrones, así como los discos de acreción de agujeros negros.

Cada elemento tiene sus propias líneas espectrales muy distintas. Si puede reconocer qué líneas son cuáles, puede financiar la composición.