Radiaciones electromagnéticas y espectros atómicos
La naturaleza de la luz ha sido desde siempre motivo de discusión científica, pues ya en el siglo XVII Newton defendía que la luz estaba formada por partículas, mientras que Huygens creía en el comportamiento ondulatorio. Por otro lado, Maxwell pudo demostrar propiedades como la de refracción y la difracción, propiedades que se explicaban si consideráramos la luz como onda electromagnética.
Una onda electromagnética se define por un campo eléctrico y otro magnético que se encuentran oscilando en perpendicular y perpendicularmente también a la dirección en la cual se propaga.
Dentro de las ondas electromagnéticas se incluyen junto a la luz también ondas como las de radio, rayos X, microondas, etc. Los distintos tipos de ondas electromagnéticas se diferencian entre sí solamente en sus longitudes de onda (λ), y en la frecuencia (ν). Dichas variantes se relacionan mediante la expresión:
ν = c / λ , donde la c hace referimiento a la velocidad con la que se propaga la onda. Dicha velocidad es constante y su valor en vacío es de unos 3,0. 10^8 m/s.
Las radiaciones electromagnéticas tienen lugar en un amplio intervalo de frecuencias. Las frecuencias electromagnéticas que se distinguen entre sí por sus longitudes de onda, forman un grupo que se conoce como espectro electromagnético.
Nuestros ojos son sensible solamente a la radiación electromagnética con una longitud de onda de entre 4.10^-7 y 7,5.10^-7 m; a dicho intervalo se le conoce como luz visible. Dentro de la luz visible, la longitud de onda más corta es la luz violeta y la más larga la luz roja. Entre dichas longitudes extremas se encuentran todos los colores presentes en el arco iris. Las demás radiaciones pueden ser detectadas a través de complejos aparatos, que llevan el nombre de espectrógrafos o espectrómetros.
Las ondas electromagnéticas que tienen una longitud de onda inferior a la luz visible se conoce como radiación ultravioleta, y en cambio las longitudes que se encuentra por encima de la visible son las conocidas como, radiaciones infrarrojas. Como ejemplo podemos decir, que las radiaciones térmicas que emiten los cuerpos se encuentran colocadas en la región infrarroja del espectro. En el caso de los conocidos rayos X, éstos poseen una longitud de onda bastante corta, consiguiendo penetrar en diversos materiales. En el caso de las radiaciones de las microondas, las cuales tienen longitudes de onda de centímetros, éstas son absorbidas por las moléculas del agua presente en los alimentos por ejemplo, siendo precisamente por eso que funcionan los hornos microondas. Y en el caso de las radiaciones gamma, las cuales son emitidas por elementos de tipo radiactivo, poseen una penetración bastante grande, pudiendo incluso llegar a dañar células de nuestro organismo.
La radiación que es emitida por la gran mayoría de los sistemas, no es otra cosa que una superposición de ondas electromagnéticas de diversas longitudes de onda. En el caso de que el foco emisor de onda sea el Sol o un sólido en estado incandescente (una bombilla por ejemplo), la luz que se emite es blanca, y cuando atraviesa el prisma de un aparato espectroscopio, dicha luz se ve separada en las diversas radiaciones que la componen, dando lugar al conocido como, espectro continuo, el cual contienen en su composición una gama de colores que pasan desde el violeta al rojo, de manera idéntica a los colores que observamos en un arco iris.
Cuando tiene lugar una descarga eléctrica dentro de un tubo con elementos gaseosos en su interior, mientras estos se encuentran a una baja presión, pudiendo tratarse de elementos como el hidrógeno, helio, vapor de sodio, etc.; se produce la emisión de una luz, que será de diferente color según el elemento del interior del tubo. Por ejemplo, cuando el tubo contiene hidrógeno, la luz emitida será de color azul, o será roja en el caso del neón. Cuando analizamos la luz que se emite para cada elemento, conseguimos el espectro conocido como, espectro discontinuo, pues se encuentra formado por distintas líneas características y únicas de cada elemento, cosa útil para la identificación de los elementos. Cada una de las líneas emitidas corresponde a la luz de una longitud determinada, la cual viene emitida por los átomos que se encuentran formando el gas, por lo cual, a dichos espectros se les conoce también como espectros atómicos de emisión.
El primer espectro de emisión al que se le dio interpretación fue del átomo de hidrógeno. Durante mucos años un espectro de este tipo, formado por líneas discontinuas, desorientó a los científicos. Balmer, en 1885, investigó y determinó la longitud de onda de cada una de las líneas del espectro visible del hidrógeno, y de hecho, las líneas que constituyen el espectro visible reciben el nombre de serie de Balmer.
Pero el hidrógeno también emite radiaciones en zonas diferentes del espectro electromagnético. Cuando se usaron espectrógrafos potentes con un mayor poder de resolución, se descubrieron otros tipos de series de líneas, como por templo la serie en la zona de la luz ultravioleta, conocida como serie de Lyman en honor a su descubridor.
Las diferentes longitudes de ondas que corresponden a las líneas de los espectros pueden calcularse siguiendo la relación que propuso el químico de origen sueco, Johannes Rydberg:
1/λ = Rh [(1/ n1^2) – (1/ n2^2)], de donde Rh hace referencia a la constante de Rydberg para el hidrógeno, con un valor de 1,09678.10^7 m^-1; y n1 y n2, serán números enteros que tomarán valores de 1, 2,3, etc., siempre que n1 tenga un valor menor que n2.
Los estudios que se hacen de los espectros atómicos nos permiten asociar la emisión de las radiaciones de frecuencias determinadas con los cambios concretos de energía que se producen en un átomo.