Espectroscopía

Hace rato que no se habla de ciencia en este blog. Ya a la gente se le empieza a olvidar que si bien estudio Historia y me gustan más las humanidades, hubo una época en la que se decía que la ciencia era mi fuerte. Les comparto pues, un poco sobre una de mis ramas favoritas de la ciencia, la espectroscopía. Ojalá lo disfruten. Por cierto, esta entrada está basada en un proyecto académico de física, así que lo pueden citar si gustan ;)

El año es 1859. Muchos científicos han estado trabajando en la espectroscopia. Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen son profesores de física y química respectivamente en la universidad de Heidelberg, reconocidos por haber inventado juntos un mechero de gas que producía una llama sin humo y que podía ser fácilmente regulada. Kirchhoff se especializaba en la óptica y Bunsen en el análisis cualitativo de los elementos basados en el color de sus llamas. Juntos construyeron lo que se considera el primer espectroscopio.

¿Qué es un espectroscopio? Es un instrumento destinado al análisis de la luz visible que permite obtener información sobre algunos fenómenos físicos y químicos al igual que características y propiedades de los cuerpos que observa.

Todo aquello que el ser humano puede observar, toda la información visual que recibe nuestro cerebro a través de los ojos, es la luz que reflejan los objetos. La luz visible son ondas electromagnéticas con una longitud de onda específica. El ojo del ser humano es capaz de captar ondas de longitud de 350 a 750 nanómetros. El color de la luz depende justamente de su longitud de onda. La luz blanca es la mezcla de todos los colores en el arcoíris, pero esta puede descomponerse en todos sus colores que la componen. A este fenómeno, se le llama dispersión de luz. Algunas estrellas como el sol liberan luz blanca; otras estrellas liberan luz de otros colores. Esto se debe a que cada elemento de la tabla periódica, al llegar a ciertas temperaturas muy elevadas, liberan luz pero solamente algunos colores dentro del espectro. Si se dispersa la luz que liberan estos elementos, se puede observar su espectro de luz. Así se puede determinar la composición elemental no sólo de las estrellas, sino también de los planetas.

¿Cómo funcionan los espectroscopios? Dispersan la luz incidente, mostrando el espectro luminoso/electromagnético descompuesto, lo cual permite observar el espectro de luz de un determinado elemento. Esta dispersión se puede realizar mediante la refracción (sería un espectroscopio de prisma) o por difracción (sería un espectroscopio de red). En palabras más sencillas, captan la luz y la descomponen. 

¿Para qué sirven? Sirven para medir las propiedades de la luz, en una determinada porción del espectro electromagnético. Se mide la intensidad luminosa y se identifican los materiales que conforman diferentes cosas (ej. planetas) dependiendo de dónde caen en el espectro luminoso.

En nuestro día a día, el espectroscopio se utiliza para muchas cosas. Es una herramienta muy versátil. El espectroscopio o la espectroscopia se utiliza mucho en el análisis ambiental. Se utiliza tanto para sondear diferentes propiedades del agua como su acidez u observar emisiones y su absorción de metales a nivel atómico. También se usan espectroscopios para determinar el nivel del aire, utilizando sensores infrarrojos se pueden observar la concentración de ciertas composiciones en el aire. En la biomedicina igual se utiliza, tiene diferentes funciones diagnósticas y terapéuticas. Se utiliza en el análisis farmacéutico, es decir en el desarrollo de nuevas medicinas, vacunas, etc. Igual se utilizan en la astronomía para obtener información sobre la composición, densidad, temperatura y otros procesos físicos de algún objeto de estudio astronómico. Hasta en la arqueología se utiliza y apunta a ser muy útil para el desarrollo de nanotecnologías.

En el siglo XIX el helio fue descubierto por varios científicos ya que decidieron mirar al Sol con un espectroscopio, notaron unas líneas oscuras que determinaban un gas que se quemaba a altas temperaturas. Esto correspondía al espectro del helio.

El robot Perseverancia que aterrizó en Marte el 18 de febrero de 2021 lleva un espectroscopio para determinar composiciones y presencias de elementos que podrían ayudar a saber de qué está compuesto el planeta y su atmósfera.

Para el funcionamiento de un espectroscopio se necesitan de varios conceptos de la física trabajando en conjunto. Hemos enlistado todos los conceptos que tienen que ver con el espectroscopio y su relación con el mismo abajo para que puedas tener un mayor entendimiento de los fenómenos en juego que permitirán el funcionamiento del espectroscopio.

Este proyecto concluyó en la elaboración de un espectrscopio casero que todavía tengo y que sí funciona :D

Ahora les dejo algunos conceptos por si hay algo que no haya quedado claro:

Reflexión: La reflexión de la luz es el cambio de dirección de los rayos que ocurre en un medio después de incidir sobre la superficie de un medio distinto. Hay un rayo incidente y ángulo del rayo incidente. El ángulo del rayo incidente y el ángulo de reflexión son iguales. En el espectroscopio casero, el CD puede utilizarse como una red de difracción por reflexión para construirlo.

Refracción: La refracción de la luz es el cambio de dirección de los rayos de luz que pasa cuando los rayos pasan de un medio a otro en el que la luz se propaga con una velocidad diferente. Se percibe una dirección diferente hacia donde va en realidad el rayo. La refracción es uno de los principios ópticos fundamentales que permiten dispersar la luz en los espectroscopios de prisma. Así podemos lograr analizar cómo diferentes materiales dispersan la luz y conocer su composición.

Dispersión de Luz: Fenómeno por el cual distintas longitudes de onda se refractan con ángulos distintos al atravesar medios materiales. El arcoíris es un ejemplo de dispersión que existe de forma natural. La dispersión de la luz es el objetivo principal de un espectroscopio en sus diferentes longitudes de onda para que se pueda analizar.

Espectro de luz Visible: Es la región del espectro electromagnético que el ojo humano puede percibir y traducir en los colores que conocemos. El ojo humano es capaz de percibir longitudes de onda entre 380 y 750 nanómetros. Gracias al espectro de luz visible que se ve en el espectroscopio es posible ver la longitud de onda de de una fuente de luz ya que dependiendo si la luz es blanca o de otro color se puede conocer la longitud de onda.

Espectro Electromagnético: Es la distribución energética del conjunto de longitudes de onda de las radiaciones electromagnéticas. Se incluye en los rayos gamma, rayos x, radiación ultravioleta, luz visible, radiación infrarroja y ondas radioeléctricas. Estos espectros se pueden observar a través de espectroscopios y así se puede medir la longitud de onda.

Corrimiento al Rojo: Ocurre cuando la radiación electromagnética que se emite o se refleja desde un objeto y las ondas que son percibidas están un poco más cerca del tipo de ondas de mayor amplitud. Se acerca al color rojo en el espectro electromagnético. Con el espectroscopio se puede determinar si existe un corrimiento al rojo o no ya que si la longitud de onda es muy alta se verá más rojo en el espectroscopio.

Ondas Electromagnéticas: La combinación de ondas en campos eléctricos y magnéticos producidas por cargas en movimiento. No necesitan un medio para propagarse, son transversales, son periódicas en el tiempo y en el espacio. Existen varios tipos de ondas electromagnéticas como: rayos gamma, rayos x, radiación ultravioleta, luz visible, radiación infrarroja, microondas y ondas radioeléctricas. Las ondas electromagnéticas se pueden medir con el espectroscopio ya que nos permite analizar el espectro que se genera y determinar una longitud de onda muy cercana a la realidad. La longitud de la onda electromagnética se interpreta como color.

Efecto Doppler: Es el cambio de frecuencia percibido de cualquier movimiento ondulatorio cuando el emisor y receptor se desplazan uno de otro. La percepción de ondas cambia dependiendo de la posición del emisor y receptor. En otras palabras cuando un objeto emisor de ondas (por ejemplo la bocina de una sirena) se acerca, el espacio entre las ondas se reduce por lo cual aumenta su frecuencia y la percepción de estas se ve alterada. Por eso cuando se va acercando una ambulancia o un carro a alta velocidad, el sonido va cambiando de una manera y cuando se aleja, cambia de manera diferente.

Fuentes:

Classesamida. (2016, 9 noviembre). ESPECTROSCOPIO CASERO a CD (Como hacer, explicación y demostración)[Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=GSsV8ppjGro 

Ecured. (Sin fecha) Espectroscopio. Obtenido de: https://www.ecured.cu/Espectroscopio#Principio_de_funcionamiento 

Fernández, J. (2021). Dispersión de la Luz. Fisicalab. https://www.fisicalab.com/apartado/dispersion-luz

Férnandez, J. (2021). Reflexión y Refracción de la Luz. Fisicalab. https://www.fisicalab.com/apartado/reflexion-refraccion-luz#:~:text=El%20%C3%A1ngulo%20que%20forman%20el,su%20longitud%20de%20onda%20%CE%BB.

GreenFacts. (2021). Espectro electromagnético. https://www.greenfacts.org/es/glosario/def/espectro-electromagnetico.htm

Hérnandez, M. (2018). Así fue cómo se descubrió el helio: el primer elemento químico extraterrestre. TekCrispy. https://www.tekcrispy.com/2018/10/19/asi-se-descubrio-el-helio/

Meštrović, T. (2019, 26 febrero). Usos de la espectroscopia. News-Medical.net. https://www.news-medical.net/life-sciences/Spectroscopy-Applications-(Spanish).aspx 

Raffino, M. (2020). Espectro Visible. Concepto de. https://concepto.de/espectro-visible/

Redacción. (2021). ¿Qué buscará el robot Perseverancia a su llegada a Marte el próximo 18 de febrero?. Aristegui Noticias. https://aristeguinoticias.com/1402/kiosko/que-buscara-el-robot-perseverancia-a-su-llegada-a-marte-el-proximo-18-de-febrero/

S/A. (2017). ¿Qué es el corrimiento al rojo y qué aplicaciones tiene en astronomía?. Universidad Internacional de Valencia. https://www.universidadviu.com/es/actualidad/nuestros-expertos/que-es-el-corrimiento-al-rojo-y-que-aplicaciones-tiene-en-astronomia

S/A. (2021). Significado de Onda electromagnética. Significados. https://www.significados.com/onda-electromagnetica/

S/A. (2021). Efecto Doppler. Fisicalab. https://www.fisicalab.com/apartado/efecto-doppler

S/A. (2021). Ley de Stefan-Boltzmann. Astronopedia. https://astronomia.fandom.com/wiki/Ley_de_Stefan-Boltzmann