Ciencias Naturales - Química Inorgánica
Ciencias Naturales - Química Inorgánica
2.3.1 Espectroscopía
Espectro Electromagnético
La luz, dada su naturaleza ondulatoria, puede presentar diferentes frecuencias (ν, en s o Hz) y longitudes de onda (λ, en Å o en m) que se ordenan en el llamado espectro electromagnético. La cantidad de energía que transporta una onda electromagnética es función de la frecuencia, la longitud de onda y la velocidad con que viaje, según la siguiente ecuación: c = λ • ν
Donde:
c → es la velocidad de la luz en el vacío, 300.000.000 m/s
λ → es la longitud de onda en metros (m).
ν → es la frecuencia en hercios (Hz) o s .
El estudio de las ondas es básico para comprender los átomos. Por eso, nos detendremos a estudiar dos características básicas de una onda: longitud de onda y frecuencia.
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La longitud de onda ( λ ) es la distancia entre dos crestas o máximos y la frecuencia ( ν ) define la cantidad de ondas que pasan por un punto en un segundo. Así, analizando matemáticamente la ecuación tenemos que la frecuencia y la longitud de onda presentan una relación inversa, es decir, a mayor frecuencia, menor será la longitud de onda y viceversa. Las ondas de alta frecuencia son las mis energéticas, como los rayos gamma, los rayos X y los rayos ultravioleta. Por el contrario, las ondas de radio, las microondas y los infrarrojos tienen relativamente poca energía. Dentro del espectro visible, que es solo una parte muy pequeña de este, la luz roja tiene menos energía que la azul. Ahora bien, ¿qué relación tiene esto con la estructura atómica de la materia? Resulta que cuando un elemento cualquiera es calentado hasta la incandescencia, emite luz de un color característico, que se denomina radiación electromagnética. Si esta radiación se hace pasar a través de un prisma, lo cual se logra en un aparato llamado espectroscopio, se obtiene un conjunto de haces luminosos de diferentes colores, que conforman el denominado espectro de emisión.
El espectro de emisión es característico para cada elemento químico, como si se tratara de su huella digital. A diferencia del espectro de la luz blanca, que es continuo, tal como se observa en el arco iris, los espectros de los elementos son discontinuos, están formados por una serie de líneas. De la misma manera como es posible registrar el espectro de emisión de un elemento, es posible también obtener el espectro de absorción, consistente en los haces de luz que son absorbidos luego que un rayo de luz blanca atraviesa una masa del elemento en cuestión. Los espectros de absorción y de emisión son imágenes inversas, en las que los colores que aparecen en uno, no están presentes en el otro.
Dentro del espectro electromagnético, la luz visible solo ocupa una pequeña fracción de este. Se puede observar que a mayor longitud de onda, menor energía.
Los espectros muestran que los átomos no despiden energía de forma continua ya que las radiaciones que lanzan tienen solo unas energías determinadas. Esto puede comprobarse realizando un análisis del color de la llama producida al calentar un determinado material.
También se puede obtener el espectro de absorción de los átomos. Para ello, se hace incidir sobre estos radiación de diferentes energías y se comprueba cuáles absorbe. Esas energías corresponden a rayas negras sobre el fondo de color.
Las líneas del espectro de absorción de un elemento se corresponden con las líneas de emisión del mismo elemento. Para un mismo elemento, el espectro de absorción es complementario del de emisión.
2.3.2 Teoría Cuántica de Planck
El estudio de los espectros de emisión y absorción de diferentes sustancias y cuerpos, llevó al siguiente dilema: ¿Qué pasaría con un cuerpo capaz de absorber todas las longitudes de onda de la luz incidente sobre él? Sería un cuerpo negro, pues no reflejaría luz de ningún color.
Ahora bien, este cuerpo negro debería por lo tanto emitir luz de todas las longitudes de onda presentes en el espectro electromagnético. Dado que la región ultravioleta es la mis cercana al espectro visible, la radiación de un cuerpo negro debería ser principalmente violeta, produciendo lo que se llamó una “catástrofe ultravioleta”. Los cuerpos negros no se conocen en la naturaleza, por lo que la única manera de resolver el misterio era construir un aparato que se comportara como un cuerpo negro y observar cómo lo hacía.
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Este aparato consistía en una cámara de hierro cuyas paredes internas eran rugosas y estaba provista de un pequeño agujero, de manera que la luz que entraba en la cámara era completamente absorbida, y debería ser emitida nuevamente al exterior, produciendo una catástrofe ultravioleta. Esto no ocurrió así. Por el contrario, la mayor cantidad de radiaciones pertenecían a regiones cercanas al infrarrojo.Para resolver el conflicto, el físico alemán Max Planck (1858-1947) propuso en 1900, que la radiación emitida o absorbida por los cuerpos calientes no se presentaba de manera continua, sino en forma de cantidades discretas de energía, a las que llamó cuantos. El tamaño de un cuanto sería directamente proporcional a la frecuencia de la radiación emitida o absorbida y la magnitud de energía intercambiada debería ser un múltiplo de esta unidad. Planck resumió estos postulados en la siguiente expresión:
E = h . ν Donde:
E : es la energía en ergios o julios
ν : es la frecuencia en hercios
h : es la constante de Planck, que equivale a 6.6 x 10 ergios . s
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2.3.3 El Efecto Fotoeléctrico
La teoría cuántica de la luz de Planck marcó el inicio de la física cuántica, una parte de la física que estudia el comportamiento de la materia a escala muy pequeña (escala atómica). Esta teoría fue utilizada en 1905 por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955) para explicar el efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que consiste en la producción de una corriente eléctrica por parte de un metal cuando la luz incide sobre él. Einstein sugirió que la luz estaba formada por paquetes de energía, que denominó fotones, de donde se deduce que la luz de alta frecuencia, como el color azul o la radiación ultravioleta, tiene fotones más energéticos que aquella de baja frecuencia, como las ondas de radio o el color rojo.
Como la energía necesaria para remover los electrones en la superficie del metal es suministrada por la luz incidente, Einstein consideró el efecto fotoeléctrico como el choque de dos partículas: un fotón y un electrón, en el cual, un electrón solo sería expulsado por un fotón suficientemente grande. Esto explicaba por qué la expulsión de electrones ocurría instantáneamente y solo con haces de luz de ciertos colores. Solo había un problema: la luz debería comportarse al mismo tiempo como una onda y como una partícula.Actualmente, el carácter dual de la luz ha sido aceptado como una hipótesis de trabajo que sirve para dar explicaciones a un cierto número de observaciones, de otro modo inexplicables.