Monografías
Publicar | Monografías por Categorías | Directorio de Sitios | Software Educativo | Juegos Educativos | Cursos On-Line Gratis

 

Átomo y núcleo parte 1 - Monografía



 
DESCARGA ESTA MONOGRAFÍA EN TU PC
Esta monografía en formato html para que puedas guardarla en tu pc e imprimirla.



Vínculo Patrocinado




Aquí te dejamos la descarga gratuita
Nota: para poder abrir archivos html solo necesitas tener instalado internet explorer u otro navegador web.




Atómica, nuclear. Bohr. Orbitales, órbitas. Planck. Cuántica. Radiación. Electrodinámica. Fotón. Balmer. Espectroscopia. Fotoeléctrico. Radiactividad



-  Postulados del Modelo atómico de Bohr.



A partir de los estudios atómicos de Rutherford y de la teoría de la mecánica cuántica de Max Planck, estableció el modelo atómico por el que sería galardonado con el Premio Nobel en 1922. Supuso que los electrones que giraban alrededor de un núcleo central sólo podían situarse sobre determinadas órbitas, cada una de las cuales poseía un determinado nivel energético. Según él, un electrón emitía o absorbía cantidades discretas de energía (cuantos) cuando pasaba de una órbita a otra. Posteriormente realizó estudios para confirmar que en los elementos químicos con más de dos electrones, éstos se disponen en capas, siendo la más externa la que determinaba las propiedades químicas de la sustancia en cuestión.

El cada vez más evidente distanciamiento entre el mundo cotidiano y las descripciones
matemáticas que se ocupan de la ordenación subatómica, que permite paradojas como el doble comportamiento de onda y de partículas en los electrones, constituyó una de las principales preocupaciones para Bohr. Ello lo impulsó a enunciar el principio de
complementariedad, según el cual un fenómeno físico puede observarse desde dos puntos de
vista diferentes que no se excluyen entre sí.

Bohr propuso los siguientes postulados:



a)    Un átomo está constituido por una carga eléctrica (núcleo) alrededor de la cual giran las electrones, en número suficiente para compensar aquella, describiendo circunferencias.
b)    Cada electrón no puede moverse sobre una órbita cualquiera, sino solamente en aquellas en las cuales su impulso de rotación es un múltiplo entero de h/2   (h, la constante de Planck).
c)    Cuando el electrón se mueve sobre una de sus órbitas, no irradia energía.
d)    Un electrón puede saltar espontáneamente de una órbita a otra más cercana al núcleo. Al hacerlo, su energía disminuye en   W, y esa pérdida es emitida en forma de luz cuya frecuencia es:

V=    W/  h
Estas frecuencias (una para cada par de órbitas) concuerdan con las observaciones experimentalmente en las líneas espectrales de las series del hidrógeno

-  Ecuación de Planck



a) Característica de la Teoría Cuántica



Después de que fracasaran diversas tentativas de conseguir una expresión matemática que explicara la pauta de emisión de la energía que irradia un cuerpo negro, es decir, aquel artificio físico que absorbe todas las radiaciones que inciden sobre él, el físico alemán Max Planck ideó una audaz hipótesis, la del quantum de energía, que resolvió la cuestión y que ha sido uno de los puntos de arranque de la ciencia contemporánea.

La teoría cuántica engloba el conjunto de hipótesis físicas que analizan los fenómenos subatómicos, es decir, el comportamiento de las partículas que integran el átomo, mediante interpretaciones diferenciadas de las sostenidas por la mecánica tradicional y que se basan en la emisión discontinua de energía.

Radiación y cuerpo negro


El estudio de la radiación, o forma de energía que puede propagarse por el espacio sin medio material alguno y que se presenta bajo distintos aspectos -ondas electromagnéticas, rayos infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta, rayos X, rayos gamma-, llevó a la postulación de una serie de hipótesis y leyes basadas en la física clásica. Tales interpretaciones partieron del estudio de la radiación en un cuerpo negro que, al absorber toda radiación incidente sin reflejar ninguna y emitir, pues, el máximo de energía, se podía considerar como radiador ideal.

Estos estudios y medidas condujeron en algunos casos a resultados tan brillantes como, por ejemplo, el cálculo de la temperatura de la superficie solar a partir de las leyes de Stefan-Boltzmann y Wien. Sin embargo, no consiguieron una expresión matemática universal del problema, es decir, no permitieron conocer la composición del espectro integrado por todas las longitudes de onda en que se puede descomponer la radiación, en función de la temperatura. Ello planteó la necesidad de cambiar la base del razonamiento. No obstante, dado que los postulados clásicos de la física en los que se basaron los estudios habían dado lugar a grandes éxitos científicos, los investigadores se encontraron perplejos ante el conflicto entre teoría y resultados experimentales. Fue Planck el primero en pensar que la clave del problema podía estribar en la discontinuidad de la energía radiante.

Teoría del quantum de acción de Planck



Al buscar una solución que fuera válida para todos los casos, Max Planck enunció su fórmula matemática, sin pronunciarse sobre la naturaleza de los fenómenos. Tal fórmula permitió fijar el poder emisivo del cuerpo negro en función de la longitud de onda y en ella se relacionaban la constante de Planck, la velocidad de la luz, la constante de Boltzmann y la temperatura absoluta.

No dándose por satisfecho con una mera fórmula que no respondiera a la realidad física, Planck realizó intensos estudios en los que partía de considerar a las moléculas del cuerpo negro como osciladores eléctricos lineales, aplicándoles las leyes de los movimientos armónicos e introduciendo su hipótesis para determinar el estado microscópico del sistema, lo que le permitió formular la teoría cuántica. A este respecto, se considera un oscilador armónico o lineal cualquier partícula oscilante en la que el desplazamiento sea periódico y pueda representarse como función sinusoidal del tiempo. Según la hipótesis planteada por Planck, la emisión de energía radiante de frecuencia f no tiene lugar de forma continua, sino que se verifica por múltiplos enteros de una cantidad, el quantum o cuanto, cuyo valor es hf, donde h es la constante universal de Planck, cuyo valor es de 6,62 · 10-27 ergios por segundo.

La teoría de Planck de que la energía radiante es discontinua como la materia no sólo estaba en contradicción con las ideas admitidas hasta entonces, sino también con la naturaleza ondulatoria de esa energía que había sido comprobada en múltiples estudios experimentales. Por ello, Planck intentó conciliar su teoría con la física clásica al afirmar que, si bien la emisión era discontinua, la absorción se mantenía continua.

Se debe a Albert Einstein la generalización de esta discontinuidad al desarrollar sus estudios sobre el efecto fotoeléctrico, consistente en la liberación de electrones que tiene lugar al medir una radiación electromagnética sobre un material.

Poco después de que Gustav Ludwig Hertz observara, en 1887, que determinados materiales sometidos a la acción de una radiación emitían cargas eléctricas, se comprobó que todos los metales presentan este efecto al ser sometidos a la acción de rayos de longitud de onda suficientemente pequeña y que para los metales alcalinos el fenómeno tenía lugar dentro de la gama visible de radiaciones. Este efecto, llamado fotoeléctrico y que constituye el fundamento físico de las células fotoeléctricas y de las fotorresistencias, no tenía explicación posible según la teoría ondulatoria de la luz.

Al estudiar Einstein el fenómeno mediante la hipótesis de Planck, llegó más lejos que el postulador de la teoría, al admitir que la energía luminosa emitida en forma de cuantos conserva esa forma discontinua durante su propagación y se absorbe de la misma manera. Según esta interpretación, la energía luminosa de frecuencia f era transportada por corpúsculos de energía hf, a los que Einstein llamó cuantos de luz y que posteriormente se denominarían fotones.

Como la energía hf de un fotón incidente se emplea en parte con la finalidad de realizar el trabajo de arrancar un electrón y en parte a fin de proporcionarle energía cinética, para que un fotón pueda arrancar un electrón es preciso que su energía hf sea mayor que el trabajo que hay que cumplir. Así pues, si un fotón no dispone de energía suficiente no es posible sumar la energía de otro fotón para conseguir el desprendimiento de un electrón. De todo ello se deduce que lo decisivo para el proceso de arranque no es la energía total de los rayos que inciden sobre el metal, sino la frecuencia f de los mismos, que es la que determina la energía individual de cada fotón. Según este modelo físico, aunque un haz de rayos pertenecientes al intervalo rojo del espectro visible tenga mucha energía en conjunto, es decir, muchos fotones, la energía de cada fotón es pequeña porque la luz roja, de elevada longitud de onda, es, por consiguiente, de baja frecuencia y el valor de hf pequeño.

Esta explicación del fenómeno fotoeléctrico fue la primera confirmación de la teoría cuántica.
Einstein la dio a conocer en 1905, el mismo año en que fue publicada la teoría de la relatividad.

Números cuánticos



La aplicación de la hipótesis de Planck al modelo atómico establecido con anterioridad por Niels Bohr permitió explicar que la emisión de la energía radiante por un electrón se debe al salto de éste de una órbita a otra puesto que cada una de ellas queda determinada por un nivel energético, y que sólo eran posibles aquellas órbitas en las cuales el momento cinético del electrón era un múltiplo entero de un número h denominado cuántico principal, relacionado a su vez con la constante de Planck h. El alemán Arnold Sommerfeld modificó esta teoría e introdujo otro número cuántico, el secundario u orbital l, para hacer la órbita elíptica. Con posterioridad se instauró un tercero, el número cuántico magnético m, que indica la inclinación de la órbita. Finalmente se estableció el número cuántico de spin s, que determinaba el sentido de giro del electrón. La ordenación de los valores que podían adoptar estos números dio lugar a una distribución de niveles y subniveles energéticos a partir de la cual pudo establecerse la estructura electrónica de los átomos y, consiguientemente, el sistema periódico de los elementos.

Sin embargo, estos modelos compatibilizaban la cuantización del átomo con la mecánica clásica y se hacía así sentir la necesidad de una nueva base para la teoría cuántica, base que fue proporcionada por la interpretación física conocida como mecánica cuántica.

Mecánica cuántica



Según esta nueva concepción de la mecánica, la radiación, caracterizada anteriormente por su continuidad, se reducía a gránulos materiales (cuantos) o cantidades discretas de energía. No obstante, al definir estados estacionarios del electrón, se le atribuía a éste un simultáneo carácter ondulatorio: a la cantidad de movimiento del electrón había que hacer corresponder una longitud de onda, con lo cual la constante de Planck, que había servido para introducir el carácter corpuscular en la teoría de la radiación, permitía trasladar también la naturaleza ondulatoria a los corpúsculos materiales.

La concepción tradicional del electrón, que lo consideraba como una simple carga puntual en un medio sin estructura, quedaba descartada y había que aceptar, por el contrario, que el electrón en movimiento está siempre acompañado por una serie de ondas que, en último término, determinan la dirección que debe seguir.

El alemán Werner Heisenberg fue quien resolvió el problema de determinar la naturaleza de la onda asociada al electrón con una interpretación probabilística, según el llamado principio de incertidumbre. Según este resultado, el producto de las incertidumbres o imprecisiones con que se conocen dos magnitudes asociadas, es decir, parejas de magnitudes en las que ocurre que cuanto mejor se pretende medir una más imprecisa queda la otra, resulta ser del orden de la magnitud de la constante de Planck.

Se comprende la esencia de este principio de incertidumbre al considerar que, al realizar una medición en una partícula, es imposible no modificar el estado de la misma. Si, por ejemplo, se pudiera visualizar el electrón para estudiarlo, la luz empleada sería tan potente que modificaría su estado físico de forma radical. Llevando, pues, el principio de Heisenberg a sus últimas consecuencias cabe considerar que en mecánica cuántica se puede calcular la energía de un electrón en casos particulares, pero no es posible determinar simultáneamente su posición exacta. Así pues, sólo se puede dar una distribución de probabilidad para las diversas situaciones posibles.

Al aplicar la mecánica cuántica al estudio del átomo desaparecen las órbitas deterministas de los primeros modelos atómicos y se sustituyen por las expresiones de probabilidad o funciones onda ideadas por Erwin Schrödinger.

Desarrollada con estas directrices, la mecánica cuántica no sólo eliminó las grandes dificultades de tipo lógico que presentaba la física teórica, sino que permitió también resolver nuevos problemas, tales como la interpretación de las fuerzas de valencia y de las fuerzas intermoleculares.

Electrodinámica cuántica


La extensión de principios cuánticos a las interacciones que se establecen entre partículas cargadas y un campo electromagnético y a las que tienen lugar entre corpúsculos cargados entre sí hace de toda la física atómica y nuclear un amplio campo de ensayo para esta teoría, por el comportamiento fundamentalmente electromagnético de los átomos y las moléculas.

Esta interpretación, que así formulada se conoce como electrodinámica cuántica, ha demostrado su eficacia en la detección de algunas partículas subatómicas en las que se ha alcanzado precisión de millonésimas.

Desde que en 1931 el británico Paul Adrien Dirac sentó las bases de la electrodinámica cuántica con el descubrimiento de una ecuación explicativa del movimiento de spin o giro de los electrones, que incorporaba la teoría cuántica y la de la relatividad especial de Einstein, la disciplina física se ha ido puntualizando y completando hasta llegar a la conclusión definitiva de que las partículas cargadas interactúan por emisión y absorción de fotones. Estos fotones son virtuales, es decir, los fenómenos referidos a ellos suceden como si tales corpúsculos existieran, aunque no puedan verse o detectarse.

La interacción de dos partículas cargadas tiene lugar en series de procesos de complejidad creciente. En el caso más sencillo sólo interviene un fotón; en un proceso de segundo orden son dos los fotones implicados, y así sucesivamente.

Tales procesos corresponden a todas las formas posibles en las que pueden interactuar las partículas por intercambio de fotones virtuales y cada uno de ellos se puede representar gráficamente mediante el modelo de diagrama ideado por Richard Phillips, físico estadounidense que desarrolló la electrodinámica cuántica de la forma que más se ha generalizado. Según su interpretación, la emisión y absorción de fotones, partículas de luz que transmiten fuerzas electromagnéticas, se realizan a través de la acción de partículas cargadas, tales como electrones o positrones.

Todos los fenómenos que tienen lugar en sistemas submicroscópicos exhiben una cuantización. Los fenómenos, pues, mantienen en este nivel su desarrollo según múltiplos de valores discretos, los cuantos.

b) Relación entre radiación y frecuencia de radiación.



Según la hipótesis de Planck, la emisión de energía por los cuerpos no es continua, sino que se realiza por paquetes o cuantos de acción cuya energía viene dada por la expresión:

E= h.f

Siendo f la frecuencia de la radiación, y h, un parámetro denominado constante de Planck.

c) Valor de la constante “h” de Planck



Para dar explicación a los fenómenos que observaba, Planck dedujo la necesidad de que la emisión y la absorción de energía se produjeran en cantidades discretas (discontinuas) y estableció la constante universal de la teoría de los cuantos.

Que es una constante de desproporcionalidad entre la energía luminosa emitida o absorbida en un sistema elemental y la frecuencia de la luz. Su valor es 6,62 · 10-27 ergios por segundo. Se lo denomina también cuanto de acción de Planck y se designa por la letra h. Constante universal de la física.

d)¿ Que es un fotón?


Einstein dio el nombre de fotón a las partículas de luz, y luego su nombre se generalizo a otras regiones del espectro electromagnético, tales como rayos X, radiación ultravioleta.

e) Rayos X y radiación ultravioleta



Rayos X:



La naturaleza desconocida y misteriosa de la radiación que descubrió de forma un tanto accidental el físico alemán Wilhelm Konrad Roentgen, y con la que obtuvo una fotografía de la estructura ósea de la mano de su esposa, lo llevó a denominar a sus haces como las incógnitas matemáticas: rayos X.

Los rayos X son emisiones de naturaleza electromagnética análoga a la luz visible que aportan cantidades de energía superiores.

Las experiencias elaboradas por Roentgen, tras su detección en 1895 como ecos o ruidos de energía producidos a lo largo de sus investigaciones acerca de los rayos catódicos emanados desde fuentes de radiación electromagnética sobre pantallas fluorescentes, establecieron las propiedades fundamentales de la nueva radiación llamada X: su alto poder de penetración, indicativo de un gran contenido energético asociado; su ausencia de desviación en su trayectoria al ser sometidos a campos eléctricos y magnéticos externos; y su capacidad para producir fluorescencia. Los estudios sobre la difracción de rayos X, mecanismo de desviación y extensión de las radiaciones que les permite bordear obstáculos, llevada a cabo por el equipo científico de Max von Laue en los inicios del siglo XX, completó el conocimiento del origen y las características de los mismos.

Se dedujo así que los rayos X provenían del choque de los electrones, partículas elementales de carga eléctrica negativa, que componen los rayos catódicos al ser emitidas a grandes velocidades contra la superficie de impacto. Tal colisión actúa como freno del haz electrónico y libera energía electromagnética en forma de radiación.

Esta interpretación explica el efecto llamado bremsstrahlung (del alemán, radiación de freno) por el cual la emisión de rayos X desde un objeto no posee, en general, una frecuencia única sino que la retención de electrones produce un espectro o amplitud de radiación relativamente ancho.

Las aplicaciones de los rayos X se fundamentan preferentemente en su capacidad de penetración, lo que permite obtener imágenes y fotografías del interior de los objetos, en el caso de la industria, y del cuerpo humano, de importancia para diagnósticos médicos. Un exceso de exposición a rayos X ocasiona lesiones sobre los órganos y los tejidos del cuerpo, por lo que se establecen unos índices de tolerancia radiactiva que en ningún caso se deben superar. El estudio de la radiación X proveniente del espacio extraterrestre adquirió durante el siglo XX relevancia en las investigaciones astrofísicas del universo.

Radiación:



Las investigaciones científicas de los siglos XIX y XX detectaron un elevado número de radiaciones procedentes de diversas fuentes naturales: luz, radiactividad, ondas de radio, etc. Sin embargo, el espectro de variedades de radiación se abre hacia diversos aspectos aún ignotos y entre los que se cuentan las emisiones radiantes de la mente humana que, según algunos estudiosos de tales cuestiones, provocan fenómenos catalogados como paranormales.

Radiación es todo proceso de emisión de energía o materia por parte de los cuerpos. Los principales tipos de radiación de energía, como el calor, la luz visible, infrarroja y ltravioleta, los rayos X y gamma (g), se engloban bajo la denominación común de electromagnéticos. La emisión material se efectúa en forma de rayos compuestos por partículas subatómicas, ya sean electrones, protones, neutrones, partículas alfa (a), núcleos de helio, etc

Tipos de radiación



La coherencia de los modelos teóricos de la física desarrollada desde el primer cuarto del siglo XX, y avalada por comprobaciones experimentales, llevó a una interpretación uniforme de la composición de los distintos tipos de radiaciones. El principio de dualidad, derivado de ella, supone que las partículas constituyen una combinación de masa y energía, esto es, de corpúsculo material y onda que conforman una unidad de modo que toda radiación se compone de una partícula elemental y un tipo específico de onda asociada.

Las radiaciones electromagnéticas se sustentan en partículas llamadas fotones que carecen de masa, si bien manifiestan su naturaleza material al experimentar bajo condiciones extremas una atracción gravitatoria por parte de grandes acumulaciones de materia. Las radiaciones electromagnéticas, cuyo prototipo es la luz, se desplazan en el espacio absoluto a una velocidad fija aproximada a los 300.000 kilómetros por segundo. Predichas en 1864 por James Clerk Maxwell y descubiertas por Heinrich Hertz en 1877, comprenden una amplia gama de frecuencias en la que se incluyen las ondas de radio, la luz visible, la infrarroja y la ultravioleta, los rayos que acompañan a procesos radiactivos y los rayos X.

Las radiaciones de partículas son aquellas que se desplazan a velocidades inferiores a la de la luz. En su estructura material, se detectan partículas subatómicas de masa no nula, entre las que sobresalen: los electrones, unidades elementales de carga eléctrica negativa que soportan los rayos beta (b), de carácter radiactivo, y los rayos catódicos; los protones, partículas de carga equivalente a la de los electrones aunque de signo positivo que producen los rayos canales o positivos; los neutrones o corpúsculos neutros en forma de radiación desde los núcleos atómicos en los procesos de fisión nuclear; las partículas a, núcleos de helio de carga positiva que sustentan los rayos a; etc.

Efectos de la radiación sobre la materia



Las teorías atómicas desarrolladas desde las postrimerías del siglo XIX postulan que la materia se halla dividida en átomos de diferentes clases con una estructura interna común: un núcleo central constituido por protones y neutrones y una envoltura exterior de forma variable en la que circulan los electrones distribuidos en varios niveles. En su estado neutro, los átomos contienen idéntico número de protones y electrones.

Al incidir un haz de radiación sobre un átomo, comunica a éste parte de la energía que aporta e induce sobre él una desestabilización capaz de producir tres tipos de resultados: una excitación, en la que un electrón de la corteza absorbe la energía recibida y la invierte en situarse en un nivel atómico más alejado del núcleo; una ionización, en la que un electrón adquiere suficiente energía para abandonar el campo de fuerzas del átomo, que queda cargado positivamente, por defecto, en forma de ion; y una interacción nuclear, donde la radiación incide sobre el núcleo en el que desencadena posibles procesos radiactivos de fisión nuclear, emisión de rayos b, etc.

De especial trascendencia histórica resultaron los fenómenos de interacción de la radiación electromagnética con la materia, llamados efectos fotoeléctrico y Compton. En el primero, un fotón es portador de energía suficiente para extraer un electrón del átomo con el que colisiona; el fotón se aniquila y el electrón puede detectarse con una célula fotoeléctrica. En el efecto Compton, el fotón no se destruye y emerge de nuevo desde el átomo junto al electrón extraído, si bien modifica su frecuencia, es decir, el color de la luz que soporta.

Desde una perspectiva general, la radiación puede crear variaciones apreciables en la estructura y la química de la materia que atraviesa: cambios en las propiedades físicas (dureza, elasticidad) y la cohesión cristalina; alteraciones en las características de conductividad eléctrica y calorífica de los materiales; ionización y modificación en la composición química; etc.

Efectos biológicos de la radiación



La acción de radiación sobre los organismos vivos produce efectos beneficiosos o nocivos en función de su naturaleza y su intensidad.

La interacción de la luz con determinados componentes de los organismos provoca procesos tan conocidos como la fotosíntesis que, desarrollada en la clorofila de las plantas verdes, constituye el principal mecanismo de que se sirve la naturaleza para generar oxígeno. Asimismo, la recepción de la luz solar gobierna los ciclos metabólicos, fisiológicos y de comportamiento de los animales y las plantas.

No obstante, una excesiva exposición a la radiación, incluso la luminosa visible, puede lesionar las células y los tejidos. Estos efectos perniciosos, de tipo somático causante de enfermedades y genético de carácter hereditario, provienen de la capacidad de la radiación para ionizar los átomos de las células vivas, que origina en ellas un desequilibrio que desemboca ocasionalmente en su degeneración e incluso muerte. El poder de ionización de las radiaciones depende de la energía que conllevan y del lapso de tiempo durante el que se reciben, de manera que las radiaciones electromagnéticas de los tipos ultravioleta, X y g poseen mayor peligrosidad para los organismos.

Los rayos procedentes en su mayor parte de reacciones nucleares, y en menor medida los rayos X, causan con mayor facilidad, dado su enorme poder de penetración e ionización celular, enfermedades, tumores y malformaciones genéticas. A su vez, estas características les permiten ser usados en técnicas terapéuticas, con una aplicación local que destruye las células del tumor y en inspección de los órganos internos corporales como método de prevención, respectivamente.

Las dosis de radiación se miden habitualmente en rad, cantidad de radiación absorbida por un tejido determinado, y rem, equivalente a la radiación que produce idénticos efectos biológicos sobre el cuerpo humano que un rad de rayos X. Los centros de salud y
protección ambiental elaboran periódicamente estudios sobre la contaminación de radiación de la atmósfera y establecen unos índices de permisividad máxima para cada uno de sus tipos.

-  Estudio de la serie de Balmer



a) Características de la serie de Balmer



Los espectros de línea de emisión de algunos elementos tienen algunas decenas de líneas; los de otros, centenares y otros como el del hierro, millares de líneas. Pero a simple vista se advierte en algunos casos, como en el espectro del hidrógeno, cierta regularidad en la posición de líneas, lo que revela que alguna ley vincula las longitudes de onda de las distintas líneas.
En 1885 Balmer descubrió que las longitudes de onda de todas las líneas del espectro del hidrógeno se podían obtener de la fórmula

N2=  3 645,6   n2 - 4

siendo n = 3,4,5,6,…, para la primera, la segunda, la tercera, la cuarta, etc., líneas de la serie del hidrógeno, a la que se llamó desde entonces serie de Balmer.

b) ¿Que es la espectroscopia?



Desde los albores de la ciencia resultó extraordinariamente difícil el establecimiento de las fórmulas químicas correspondientes a ciertas sustancias, a través de grandes esfuerzos que con frecuencia conducían al fracaso. La aparición de los métodos espectroscópicos permitió liberar a los experimentadores de esta ingrata tarea y consiguió reducir considerablemente tanto los tiempos de respuesta como el tamaño de las muestras empleadas.

La espectroscopia es un método de análisis que determina la estructura química de una sustancia, los elementos y los grupos funcionales que la componen. Los procesos espectroscópicos actúan, en general, de manera no destructiva, con gran precisión, en cortos intervalos de tiempo y con muestras de magnitud mínima. Los diferentes tipos de espectroscopias se adecuan a los diversos compuestos que hayan de analizarse, aunque en la mayoría de ellos se investigan los espectros absorbidos o emitidos por la sustancia en relación con unos parámetros de referencia. Espectro es el resultado de la descomposición de las radiaciones emitidas o absorbidas por un cuerpo, que abarca desde las bajas frecuencias, como las térmicas, hasta las más altas, entre las que se encuentran el ultravioleta y los rayos X, a través de las ondas hertzianas de la radio y toda la gama de colores de la luz visible. La técnica espectroscópica se basa en la naturaleza ondulatoria de la luz y otros tipos de radiación, y considera como variables de referencia fundamentales la frecuencia, que determina el número de repeticiones por segundo de la onda, que es una función periódica del tiempo, y la longitud de onda o distancia que recorre ésta por unidad de frecuencia. El producto de estas dos variables suministra la velocidad de propagación de la onda.

Los diversos métodos espectroscópicos (absorción atómica y molecular, resonancia magnética nuclear, espectroscopia de masas, etc.), complementados con la cromatografía de gases, han permitido desechar el uso de múltiples reactivos para realizar análisis con frecuencia inseguros, complicados e imprecisos.

Espectroscopia de absorción atómica



La teoría atómica cuántica postula la existencia, en el interior del átomo, de un núcleo formado por protones de carga positiva y neutrones o partículas eléctricamente neutras, en torno al cual se mueven los electrones o cargas elementales negativas en diversos orbitales o niveles de energía. Así, el método espectroscópico de absorción atómica se basa en la diferente capacidad de absorción de radiación de los átomos de los distintos elementos en estado fundamental, en presencia de átomos excitados del mismo tipo. Se llama estado fundamental de un átomo a una disposición de los electrones en sus órbitas de mínima energía, que son las más próximas al núcleo atómico; un átomo excitado, por el contrario, posee electrones que ocupan las órbitas más alejadas y dejan vacías algunas de las interiores. Cuando un átomo recibe una radiación electromagnética (luz visible, infrarroja, rayos X, etc.) de la frecuencia o longitud de onda adecuada, absorbe un fotón, que es un cuanto o cantidad mínima e indivisible de energía electromagnética, y pasa a un estado excitado al transferir uno de sus electrones interiores a una órbita más alejada. Por el contrario, si un electrón cae de una órbita exterior a otra interior, emite un fotón, cuya frecuencia de vibración puede determinarse mediante la fórmula de Planck E= h · f, donde E es la energía de la radiación electromagnética, h es la constante de Planck y f la frecuencia del fotón emitido. La espectroscopia de absorción atómica requiere una disociación previa de la muestra, o separación de las partes que componen sus moléculas, y una posterior observación de su línea de resonancia, también llamada característica espectral del elemento, magnitud que disminuye progresivamente al aumentar el grosor de la muestra. Como segundo paso se hace pasar la radiación no captada por la muestra a través de un filtro especial llamado monocromador, con el que se separa la línea de resonancia correspondiente a la frecuencia estudiada de todas las restantes. La intensidad de esta línea suministra información acerca de la proporción en la que se encuentra este elemento en la muestra: cuanto más oscura sea la línea de resonancia, menos radiación ha llegado al monocromador y mayor número de átomos han absorbido dicha radiación.

La sensibilidad del aparato con el que se realiza una espectroscopia de absorción viene dada por la concentración o proporción de metal disuelto en el líquido que produciría una absorción del 1 %. Éste es un dato orientativo sobre la precisión del espectrógrafo, ya que varía según la muestra.

La espectroscopia atómica es útil para determinar las proporciones de metales y semimetales en disolución. Otros sistemas analíticos derivados de la absorción atómica son: la cámara de grafito, el método de absorción atómica sin llama y a baja temperatura, el análisis de mercurio y los procedimientos específicos de arsénico, selenio, antimonio, telurio, bismuto y estaño.

Espectroscopias moleculares



Basados en las propiedades de la materia en el nivel molecular, existen diversos métodos de espectroscopia que atienden al carácter y a la estructura interna de la muestra de análisis. La espectroscopia infrarroja, que utiliza zonas del espectro comprendidas entre 2,5 y 16 micras de longitud de onda, se emplea especialmente en análisis químico orgánico. En este rango de valores se obtiene el espectro molecular vibracional, alcanzado cuando la frecuencia de oscilación de una molécula, vista como un muelle en movimiento en torno a un punto de equilibrio, coincide con la de la luz absorbida. Esta frecuencia, llamada de resonancia, sirve para establecer las comparaciones entre muestras, por lo que su cálculo precisa de una amplia información previa sobre los espectros infrarrojos de diferentes sustancias similares a la analizada.

Las espectroscopias visibles y ultravioletas se basan en la excitación electrónica de los enlaces, comparticiones de electrones por parte de dos átomos en un orbital común llamado enlazante.

De más difícil interpretación resulta la espectroscopia de microondas, ya que la baja cantidad de energía transmitida por este tipo de radiaciones sólo afecta a la molécula en sus diferentes niveles de rotación. Se aplica, por tanto, a moléculas de estructura sencilla, sustancias gasificadas en general, y no como un método analítico de rutina.

La espectroscopia Raman, que tomó su nombre del físico indio Chandrasekhara Venkata Raman, quien la estudió, parte del hecho de que una sustancia iluminada por medio de luz monocromática, es decir, de frecuencia uniforme, difunde en todas las direcciones haces luminosos de otras frecuencias que, reunidas, constituyen su espectro Raman característico. Este fenómeno es una consecuencia del efecto de la difusión molecular, y su observación precisa de una fuente luminosa de gran intensidad que emita haces monocromáticos, para evitar así la prolongada exposición de placas fotográficas hasta conseguir captar el efecto, excesivamente débil.


Espectroscopia de resonancia magnética nuclear



Los electrones, en sus traslaciones alrededor del núcleo atómico, están dotados de un movimiento de rotación sobre sí mismos, llamado spin (en inglés, giro), que puede tomar dos sentidos opuestos. Asimismo, al tratarse de cargas eléctricas móviles, producen en su entorno perturbaciones de naturaleza magnética, determinadas por la magnitud del momento magnético, producto de su distancia media al núcleo, su cantidad de carga electrostática y su velocidad de traslación medida en ángulo por unidad de tiempo.

El método de espectroscopia de resonancia magnética nuclear se basa en el análisis del spin de las partículas cargadas eléctricamente de la molécula y de su momento magnético. Para ello, se hace incidir sobre el núcleo una radiación electromagnética de frecuencia conocida, a raíz de lo cual, en función de los diferentes equilibrios estables posibles dentro de la  molécula, ésta devolverá una radiación, de cuyo análisis estadístico se deduce la llamada frecuencia de absorción característica del núcleo.

Dentro de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, resulta de particular interés la del protón, partícula de carga positiva contenida en el núcleo de los átomos y que constituye, en definitiva, el propio núcleo del átomo de hidrógeno, elemento de número atómico 1. Por ello, esta espectroscopia se aplica al estudio de multitud de procesos intermedios del refino o refinación del petróleo, con el fin de mejorar el rendimiento y reducir los costos de los productos deseados, como el butano, la gasolina, etc.





Creative Commons License
Estos contenidos son Copyleft bajo una Licencia de Creative Commons.
Pueden ser distribuidos o reproducidos, mencionando su autor.
Siempre que no sea para un uso económico o comercial.
No se pueden alterar o transformar, para generar unos nuevos.

 
TodoMonografías.com © 2006 - Términos y Condiciones - Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons. Creative Commons License