Los espectros atómicos y las transiciones electrónicas

De Wikillerato

Antecedentes históricos: Espectroscopia

El hombre ha tenido a lo largo de su historia contacto con uno de los fenómenos naturales más bellos que se manifiesta en un día de Sol, pero con un algunas nubes que descargan lluvia, un maravilloso “arco iris” se puede visualizar en el cielo en el lado opuesto de Sol. Aunque debería estar claro que el fenómeno estaba ligado a la presencia conjunta de luz y agua, no se comenzó a tener una idea científica clara del fenómeno hasta que en el año 1666 el gran científico Isaac Newton (1643-1726) pudo“descomponer” con un prisma de vidrio la luz blanca del Sol en los “siete”colores de su “alma” o espectro y recomponer de nuevo el rayo de luz blanca a partir de sus colores con un segundo prisma. Newton había descubierto la dispersión de la luz por la materia, un aspecto que resultó esencial para la comprensión de la naturaleza física de la luz. Este experimento está descrito en su tratado de Óptica (Opticks en latín) publicado en 1704.

Hubo que esperar ciento cincuenta años hasta que en 1814, el físico alemán Joseph Von Fraunhofer (1787-1826) observara unas lineas o rayas oscuras (más de 600) en el espectro de la luz solar, [una observación anterior de lineas oscuras en 1802, fue realizada por el físico y químico británico William Wollaston (1766-1828)] que fueron interpretadas en 1859 por los también físicos alemanes Robert-Wilhelm Busen (1811-1899) y Gustav-Robert Kirchhoff (1824-1887) como absorciones de la luz por los átomos (en este particular caso por los gases situados en la atmósfera solar).

Poco después un número de científicos observaron rayas brillantes muy estrechas y bien definidas en el espectro de la luz emitidas por llamas, arcos voltaicos y chispas. Había nacido la espectroscopia, el espectroscopio, el aparato que sirve para separar (analizar) los distintos componentes de una emisión lumínica en función de su longitud de onda (o frecuencia), que con una configuración experimental basada esencialmente en aquella introducida por Newton en el siglo XVII, se convertiría así en unos de los instrumentos esenciales de la física moderna.

Utilizando este nuevo instrumento los primeros espectroscopistas, pudieron determinar que los elementos y compuestos químicos emiten tres tipos de espectro general. El espectro de emisión continuo, emitido principalmente por sólidos o líquidos incandescentes, que no muestran ningún tipo de linea o raya brillante u oscura cuando la luz emitida por los mismos es observada en los espectroscopios de más alto poder de resolución. Si por otra parte aparecen rayas oscuras en un espectro de emisión continuo tenemos entonces un espectro de absorción, denominando a esas rayas o lineas de absorción. Por otra parte los espectros de emisión bandas, que consisten en grupos de líneas brillantes que parecen ser continuas en espectroscopias de bajo poder de resolución. Este tipo de espectro es emitido cuando pequeñas piezas de material de un compuestoson calentados en una llama o con un electrodo. Por último, los espectrosde emisión de lineas que se originan en la luz emitida por fuentes que contienen únicamente elementos químicos puros (e.g. un gas luminoso rarificado excitado en un tubo de descarga). Así, las rayas y bandas observados en estos resultan ser características de los elementos químicos individuales y de los compuestos químicos respectivamente cuando son excitados en determinadas condiciones. De hecho, los espectros de cada elemento o compuesto son como una “huella dactilar” que identifica a los mismos, son por ello llamados espectros característicos.

La existencia de los espectros de emisión lineas y bandas fue un resultado experimental que la física clásica no podía explicar, esta era solo capaz de explicar los espectros de emisión continuos (aunque no su forma detallada como ocurrió al estudiar la radiación de cuerpo negro [[1]], pero no podía explicar la existencia y el origen de esas rayas discretas. Explicar el espectro de emisión de líneas del elemento más simple, el hidrógeno se convertiría en el trabajo de los físicos durante el primer cuarto de siglo XX, y necesito de los trabajos de Planck, Einstein y Bohr, y para la explicación de las líneas y bandas más finas del espectro se requirió finalmente del desarrollo de la teoría cuántica.