COLORES ESPECTRALES DE GASES ATÓMICOS

 

En este apartado del tema sobre Estructura del átomo se explica que en el siglo XIX se desarrolló el espectroscopio y se utilizó para analizar luz generada en laboratorio por calentamiento de diversas fuentes: gases, metales, sales, etc. Aquellos estudios pusieron de manifiesto por primera vez que cada átomo produce un espectro de emisión característico y discontinuo.

 

Los laboratorios escolares suelen disponer de electroscopios y puede resultar también muy instructivo para cualquier persona construir uno casero, como el que de la fotografía adjunta. Lo construyó en 2014 el profesor Francisco Savall con sus alumnos de Secundaria, y usando los siguientes materiales: una caja de zapatos con la que se hizo el receptáculo; un CD del que se obtuvo (cortando un rectángulo) la red de difracción; papel milimetrado, sobre el que se construyó la  escala de medida de las longitudes de onda. En Internet se pueden encontrar más modelos para construir un espectroscopio sencillo y eficaz, usando una plantilla recortable.
 
El espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construcción y uso de modelos de emisión y absorción de radiación en física cuántica (Artículo de F. Savall-Alemany, J.L. Domenech y J. Martínez Torregrosa, 2014)
 

Espectroscopía fácil en el laboratorio de bachillerato (Artículo de Andrés García-Verdugo, 2022)
 

 

 

Sea con un electroscopio de elaboración propia, como alguno de los anteriores, o con los que se puedan tener en la dotación del laboratorio, los estudiantes pueden observar muy fácilmente espectros producidos por algunos gases a baja presión cuando se les somete a descargas eléctricas y comprobar de manera inmediata que la parte visible de tales espectros producidos por esos gases atómicos en los procesos de desexcitación que ocurren entonces, tiene unas determinadas líneas coloreadas, únicas e invariables para cada gas.
 

 

En la imagen adjunta puede verse un tubo espectral de hidrógeno  H y su espectro de emisión, doblemente representado:

a) (imagen superior) En un típico dibujo del mismo.

b) (imagen inferior) En la fotografía de un espectro real obtenido con el espectroscopio casero (dependiendo de la estructura del espectroscopio las líneas obtenidas se ordenan como las de la imagen superior o, como en este caso, su simétrica especular).

"¿Cómo se emite y se absorbe radiación?. Introducción a la física cuántica. Programa-guía de actividades comentado para el profesorado" (F. Savall-Alemany, J.L. Domenech y J. Martínez Torregrosa, 2014)

 

Estudiando espectros como el anterior se constata la cuantificación de los niveles energéticos de la materia y se pueden asignar los colores de las líneas espectrales observadas a las frecuencias (y longitudes de onda) que les corresponden. Recordemos que las emisiones que provocan la obtención de esas líneas se producen porque el gas está siendo excitado (en este caso mediante la aplicación de descargas eléctricas).

 

Con más detalle, la observación y el análisis de espectros de gases atómicos puede servir para: a) Predecir líneas espectrales de un gas, conocidos los valores de sus niveles energéticos. b) Interpretar el hecho de que las líneas espectrales son siempre las mismas, independientemente de la intensidad de la descarga eléctrica (mientras esa intensidad de la descarga sí influye sobre la intensidad de la luz emitida) c) Relacionar el espesor de las líneas con el principio de incertidumbre (si no, las líneas tendrían que ser totalmente finas, independientemente de su intensidad).
 

Conviene tener presente al hacer estos análisis que la materia tiene generalmente una estructura más simple cuando se trata de elementos y en estado gaseoso. Por eso, los espectros atómicos de los gases son los más sencillos y revelan un número limitado de niveles de energía. Es el caso del espectro del Helio gaseoso, que, como vemos en la fotografía adjunta se asemeja al anteriormente mostrado de Hidrógeno gaseoso en el hecho de que ambos tienen sólo unas pocas líneas bastante separadas entre sí. Hidrógeno y helio son los dos elementos de la tabla periódica de menor número atómico, Z, de modo que tienen pocos niveles energéticos, que dan lugar a pocas transiciones electrónicas.

A partir de aquí, al ir aumentando el número atómico, Z, se va multiplicando el número de niveles, lo que tiene la consecuencia de dar lugar a unos espectros cada vez con más rayas y que pueden estar cada vez más juntas. Obsérvense, a modo de ejemplo de esto (en la misma fotografía) los espectros de oxígeno gaseoso (Z=8) y de neón gaseoso (Z=10). ). También son discontinuos, pero con un aumento notable de la cantidad de líneas espectrales, lo que les provoca estar mucho más juntas.

 

 

Ordinariamente la materia presenta estructuras mucho más complejas y, por otro lado, las formas de excitarla pueden ser muy variadas (por ejemplo, térmica, eléctrica, química, óptica,..). Todo ello abre un amplísimo campo para un estudio de muy variadas formas de producir colores.
 

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