1. Radiación electromagnética

El estudio de las radiaciones electromagnéticas y su interacción con la materia fue, desde el siglo xviii, fundamental para el análisis de la estructura atómica. Las hipótesis sobre su naturaleza ondulatoria o corpuscular marcaron el camino que condujo desde el modelo atómico de Rutherford hasta el modelo atómico actual, pasando por el del Bohr.

Naturaleza corpuscular

Naturaleza ondulatoria

En 1672, Isaac Newton formula la primera hipótesis sobre la naturaleza de la luz.

Para Newton, la luz estaba compuesta por partículas que formaban rayos. Con esta hipótesis, explicó la reflexión y la refracción de la luz, pero no consiguió explicar el fenómeno de la interferencia.

A finales del siglo xvii, el físico neerlandés Christian Huygens propuso la hipótesis de que la luz era un fenómeno ondulatorio y, como tal, se desplazaba vibrando.

Huygens creía que la luz era una onda similar al sonido. Esta naturaleza ondulatoria explicaba el fenómeno de la interferencia.

1.1. Las ondas electromagnéticas

En 1860, J. C. Maxwell demostró matemáticamente que la radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos que vibran propagándose en el espacio en forma de ondas que portan energía. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz c y no necesitan un medio material para propagarse.

Observa los parámetros principales que caracterizan a una onda electromagnética:

Magnitudes temporales

Periodo (T): tiempo que tarda una onda en alcanzar dos puntos en el mismo estado de vibración.

Frecuencia (ν): número de oscilaciones que pasan por cada punto en la unidad de tiempo. Su unidad es s⁻¹, que se denomina Hz (hercio). Es la inversa del periodo.

Magnitudes espaciales

Longitud de onda (λ): distancia mínima entre dos puntos que están en el mismo estado de vibración. Sus unidades son de longitud.

Numero de onda (k): número de veces que vibra una onda en una unidad de distancia. Es la inversa de la longitud de onda.

Periodo y frecuencia:

T igual fracción 1 entre v

Número de onda y longitud de onda:

k igual fracción 1 entre lambda

Velocidad de propagación de una onda (v): es el espacio recorrido por una onda en un tiempo dado.

$v igual fracción s entre t$

Teniendo en cuenta las magnitudes de la onda, la velocidad puede expresarse como el cociente entre la longitud de onda y el periodo.

$c igual fracción lambda entre T normal o espacio bien espacio c igual lambda v$

El valor de la velocidad de la luz en el vacío es:

c = 3 ⋅10⁸ m⋅s⁻¹

1.2. El espectro electromagnético

El espectro electromagnético no está formado solo por las ondas que podemos percibir con los sentidos. En la imagen puedes observar las distintas radiaciones, ordenadas por longitud de onda creciente, que lo componen. Observa que la luz visible supone una fracción muy pequeña del total del espectro electromagnético.

El espectro electromagnético es un continuo y está formado por el conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas.

λ = 3 500 Å = 3,5⋅10⁻⁷m
Longitud de onda corta
Radiación ultravioleta

λ = 15 335 nm = 1,5335 ⋅ 10⁻⁵m
Longitud de onda larga
Radiación infrarroja

1.3. El espectro atómico

La radiación es emitida o absorbida por la materia como resultado de los cambios en la estructura de esta. Por ejemplo, si calientas un material, este está absorbiendo radiación térmica, que es radiación infrarroja. Y en el momento que se enfríe, estará emitiéndola.

En el siglo xix, Kirchhoff y Bunsen desarrollaron el espectroscopio, un aparato que permite observar las diferentes radiaciones emitidas y absorbidas por distintos átomos al desviar con diferente ángulo las frecuencias de la radiación tras pasar por un prisma.

Con sus experimentos observaron lo siguiente:

Espectro atómico de emisión

Al suministrar energía a un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos se excitan y emiten radiación en ciertas longitudes de onda, que constituyen su espectro de emisión.

Espectro de emisión del berilio

Se aprecia un conjunto de líneas que corresponden a emisiones de solo algunas longitudes de onda. El espectro es discontinuo.

Espectro atómico de absorción

Si el mismo elemento recibe radiación electromagnética de una fuente de luz blanca, absorbe ciertas longitudes de onda y transmite otras, que constituyen su espectro de absorción.

Espectro de absorción del berilio

Se aprecia un conjunto de líneas oscuras que corresponden a las longitudes de onda absorbidas. El espectro es discontinuo.

Experimentalmente, se observa que un elemento absorbe y emite el mismo conjunto discreto de frecuencias de radiación electromagnética.

Kirchhoff y Bunsen identificaron en el espectro de emisión del sodio un doblete de líneas más intensas de color amarillo. Observando un incendio en Hamburgo desde kilómetros de distancia, se les ocurrió hacer pasar un haz de luz por un prisma y, viendo reflejada en una pantalla la misma intensa luz amarilla que habían observado en el espectro del sodio, dedujeron que lo que estaba ardiendo era un almacén de salazones. Así pues, comprobaron que la espectroscopia podía usarse para detectar los componentes químicos conocidos y reconocer los elementos químicos aún desconocidos como sucedió, por ejemplo, con el rubidio o el cesio.

El espectro de absorción o emisión de cada elemento es único. Por lo tanto, la espectroscopia se puede utilizar para identificar elementos en sistemas de composición desconocida.

▶ Laboratorio en el aula 1. Espectros a la llama

Puedes observar el color predominante de los espectros del sodio, el potasio y el boro preparando disoluciones de cloruro de sodio, hidrogenocarbonato de potasio y ácido bórico. Si se pulverizan sobre una llama o se impregnan en bastoncillos de oídos y producimos la llama, se puede obtener el espectro de emisión del sodio de un color amarillento, el del potasio, de color rojo y el del boro, de color verde.

¿Cuáles de las siguientes magnitudes son temporales? Escoge la(s) respuesta(s) correctas.

Rellena los espacios en blanco.

El espectro electromagnético es un y está formado por el conjunto de todas las radicaciones electromagnéticas.

Cuanto es la frecuencia es la longitud de onda.

Señala si son verdaderas o falsas las siguientes frases:

Las huellas que deja el espectro atómico de emisión y de absorción son las mismas.

Verdadero

Falso
Correct answer

Wrong answer
El espectro de absorción o emisión de cada elemento son únicos.

Verdadero

Falso
Correct answer

Wrong answer
Para obtener el espectro de absorción el elemento debe emitir una luz blanca.

Verdadero

Falso
Correct answer

Wrong answer

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