¿Qué es la espectroscopía óptica?
La espectroscopía óptica es un medio para estudiar las propiedades de los objetos físicos basándose en la medición de cómo un objeto emite e interactúa con la luz. Se puede usar para medir atributos como la composición química, la temperatura y la velocidad de un objeto. Involucra luz visible, ultravioleta o infrarroja, sola o en combinación, y es parte de un grupo más amplio de técnicas espectroscópicas llamadas espectroscopía electromagnética. La espectroscopía óptica es una técnica importante en los campos científicos modernos, como la química y la astronomía.
Un objeto se hace visible emitiendo o reflejando fotones, y las longitudes de onda de estos fotones dependen de la composición del objeto, junto con otros atributos como la temperatura. El ojo humano percibe la presencia y ausencia de diferentes longitudes de onda como colores diferentes. Por ejemplo, los fotones con una longitud de onda de 620 a 750 nanómetros se perciben como rojos, por lo que un objeto que principalmente emite o refleja fotones en ese rango se ve rojo. Usando un dispositivo llamado espectrómetro, la luz puede analizarse con mucha mayor precisión. Esta medición precisa, combinada con la comprensión de las diferentes propiedades de la luz que las diferentes sustancias producen, reflejan o absorben bajo diversas condiciones, es la base de la espectroscopía óptica.
Los diferentes elementos y compuestos químicos varían en la forma en que emiten o interactúan con los fotones debido a las diferencias mecánicas cuánticas en los átomos y las moléculas que los componen. La luz medida por un espectrómetro después de que la luz ha sido reflejada, pasada o emitida por el objeto en estudio tiene lo que se llama líneas espectrales. Estas líneas son discontinuidades agudas de luz u oscuridad en el espectro que indican un número inusualmente alto o inusualmente bajo de fotones de longitudes de onda particulares. Diferentes sustancias producen líneas espectrales distintivas que pueden usarse para identificarlas. Estas líneas espectrales también se ven afectadas por factores como la temperatura y la velocidad del objeto, por lo que la espectroscopía también se puede utilizar para medirlas. Además de la longitud de onda, otras características de la luz, como su intensidad, también pueden proporcionar información útil.
La espectroscopía óptica se puede realizar de varias maneras diferentes, según lo que se esté estudiando. Los espectrómetros individuales son dispositivos especializados que se centran en el análisis preciso de partes específicas y estrechas del espectro electromagnético. Por lo tanto, existen en una amplia variedad de tipos para diferentes aplicaciones.
Un tipo principal de espectroscopía óptica, llamada espectroscopía de absorción, se basa en identificar qué longitudes de onda de luz absorbe una sustancia midiendo los fotones por los que permite pasar. La luz se puede producir específicamente para este propósito con equipos como lámparas o láseres o puede provenir de una fuente natural, como la luz de las estrellas. Se usa más comúnmente con gases, que son lo suficientemente difusos como para interactuar con la luz y al mismo tiempo le permiten pasar. La espectroscopía de absorción es útil para identificar productos químicos y puede usarse para diferenciar elementos o compuestos en una mezcla.
Este método también es extremadamente importante en la astronomía moderna y a menudo se usa para estudiar la temperatura y la composición química de los objetos celestes. La espectroscopía astronómica también mide la velocidad de objetos distantes aprovechando el efecto Doppler. Las ondas de luz de un objeto que se mueve hacia el observador parecen tener frecuencias más altas y, por lo tanto, longitudes de onda más bajas que las ondas de luz de un objeto en reposo en relación con el observador, mientras que las ondas de un objeto que se aleja parecen tener frecuencias más bajas. Estos fenómenos se denominan desplazamiento al azul y desplazamiento al rojo, respectivamente, porque elevar la frecuencia de una onda de luz visible la mueve hacia el extremo azul / violeta del espectro, mientras que bajar la frecuencia la mueve hacia el rojo.
Otra forma importante de espectroscopía óptica se llama espectroscopía de emisiones. Cuando los átomos o las moléculas son excitados por una fuente de energía externa como la luz o el calor, aumentan temporalmente su nivel de energía antes de volver a su estado fundamental. Cuando las partículas excitadas vuelven a su estado fundamental, liberan el exceso de energía en forma de fotones. Como es el caso con la absorción, diferentes sustancias emiten fotones de diferentes longitudes de onda que luego se pueden medir y analizar. En una forma común de esta técnica, llamada espectroscopía de fluorescencia, el sujeto que se analiza se energiza con luz, generalmente luz ultravioleta. En la espectroscopía de emisiones atómicas, se usa fuego, electricidad o plasma.
La espectroscopía de fluorescencia se usa comúnmente en biología y medicina, ya que es menos dañina para los materiales biológicos que otros métodos y porque algunas moléculas orgánicas son naturalmente fluorescentes. La espectroscopía de absorción atómica se utiliza en análisis químicos y es particularmente efectiva para detectar metales. Se utilizan diferentes tipos de espectroscopía de absorción atómica para propósitos tales como identificar minerales valiosos en minerales, analizar evidencia de escenas del crimen y mantener el control de calidad en la metalurgia y la industria.