La teoría cuántica fue propuesta en 1900 por el físico alemán Max Planck, para explicar las propiedades de la radiación emitida por los cuerpos calientes. La teoría más tarde se amplió para racionalizar los procesos de emisión y absorción.

1. Para átomos o iones en estado elementa, la energía de
cualquier estado dado proviene del movimiento de los
electrones alrededor del núcleo. En consecuencia, los distintos
estados de energía, se denominan estados electrónicos.
El estado de energía más bajo de un átomo es su estado
fundamental. Los estados de energía superiores se denominan
estados excitados. Cuando una átomo absorbe luz, aumenta su
energía y, al emitir luz disminuye su energía. (ver figura 5).
Generalmente, a temperatura ambiente, todos los átomos de
una especie químicas se encuentran en su estado fundamental.
Figura 5. Niveles de energía de los orbitales en un
átomo polielectrónico.
Fuente: Harris, (2016).
Estado
Fundamental
Energía
Absorción Emisión
Estados
Excitados
De acuerdo con la teoría cuántica, los átomos o iones sólo
tienen un número limitado de niveles de energía discretos;
de modo que para que se produzcan la absorción de la
radiación, la energía de los fotones excitadores deben
coincidir con la diferencia de energía entre el estado
fundamental y uno de los estados excitados del analito.
Como estas diferencias de energías son características
para cada especie, el estudio de las frecuencias de la
radiación absorbida proporciona un medio para caracterizar
los componentes de una muestra. Con este fin, se realiza
un representación gráfica de la absorbancia en función de
la longitud de onda o de la frecuencia.
Fuente: Whitten, Davis, Peck, & Stanley, (2015)
Referencias Bibliográficas
Harris, D. (2016). Análisis Químico Cuantitativo (Tercera ed.). Barcelona, España: REVERTÉ.
Petrucci, R., Henrring, F., Madura, J., & Bissonnette, C. (2011). Química General (Decima ed.). Madrid, España: PEARSON
Educación.
Skoog, D., James, F., & Nieman, T. (2001). Principios de Análisis Instrumental (Quinta ed.). Madrid, España: McGraw Hill.
Skoog, D., West, D., Holler, F., & Crouch, S. (2015). Fundamentos de química analítica (Novena ed.). México D.F., México:
Cengage Learning Editores, S.A. de C.V
Whitten, K., Davis, R., Peck, M., & Stanley, G. (2015). Química (Decima ed.). Madrid, España: Cengage Learning Editores.
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José Luis Castro Soto @MicroClasesDeCastro
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Emisión de radiación electromagnética
La radiación electromagnética se origina cuando las partículas excitadas (átomos, iones o moléculas) se relajan a niveles de
menor energía cediendo su exceso de energía. La excitación puede producirse por diversos medios, tales como:
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Espectros Ópticos Atómicos
#MicroClasesDeCastro / Septiembre, 2021 / Por: José Luis Castro Soto
Estados de energía de las especies químicas
La teoría cuántica fue propuesta en 1900 por el físico alemán Max Planck, para explicar las propiedades de la radiación
emitida por los cuerpos calientes. La teoría más tarde se amplió para racionalizar los procesos de emisión y absorción. Dos
importantes postulados de la teoría cuántica incluyen:
2. Cuando los átomos, iones o moléculas absorben o emiten radiación al realizar la
transición de un estado de energía a otro, la frecuencia υ o la longitud de onda λ de
la radiación se relaciona con la diferencia de energía entre los estados por:
donde E1 es la energía del estado superior y E0 la energía del estado inferior. Los
términos c y h son la velocidad de la luz y la constante de Planck, respectivamente.
1. Los átomos, iones y moléculas sólo pueden existir en ciertos estados discretos,
caracterizados por cantidades definidas de energía. Cuando una especie cambie su
estado, absorbe o emite una cantidad de energía exactamente igual a la diferencia
de energía entre los estados.
El tiempo de vida de un átomo excitado es breve y, sin embargo, su regreso al estado fundamental va acompañado de
emisión de un fotón de radiación. La radiación emitida por una fuente excitada se caracteriza por medio de un espectro de
emisión, que frecuentemente es una gráfica de potencia de la radiación emitida en función de la longitud de onda.
La figura 8, muestra un espectro de emisión típico, que
se obtuvo aspirando una disolución de salmuera a una
llama de oxigeno-hidrogeno. Los tres tipos de espectros
se pone de manifiesto en la figura:
Absorción de la radiación
Cuando la radiación atraviesa una sustancia, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente por absorción, un
proceso en el que energía electromagnética se trasfiere a los átomos o iones que componen la muestra. La absorción
provoca que estas partículas pasen de su estado fundamental, a uno o más estados excitados de energía superior.
Figura 8. Espectros de emisión de una salmuera
obtenida con una llama de oxigeno-hidrogeno.
Fuente: Skoog, James, & Nieman, (2001)
• Espectro de líneas
Formado por una serie de picos agudos y bien
definidos orinados por la excitación de átomos
individuales.
• Espectro de bandas
Consiste en varios grupos de líneas tan
estrechamente espaciadas que no se llegan a
resolver completamente. La fuente del espectro de
bandas consiste en pequeñas moléculas o radicales.
• Espectro continuo
Es consecuencia del aumento del ruido de fondo que
se evidencia por encima de 350 nm
aproximadamente. Los espectros de líneas y de
bandas están superpuestos al espectro continuo.
1. El bombardeo con electrones u
otras partículas elementales, que
generalmente conduce a la
emisión de rayos X.
2. La exposición al calor de una
llama, un arco eléctrico o un
plasma, la cual produce radiación
UV, visible o IR.
3. La radiación con un haz de
radiación electromagnética, el
cual produciría una radiación
fluorescente.
Diagramas de niveles de energía
El diagrama de nivel de energía de los electrones externos de un elemento proporciona un método adecuado para la
descripción de los procesos en los que se basan los diversos métodos de espectroscopia atómica.
Figura 6. Diagrama de energía para el sodio atómico.
Fuente: Skoog, James, & Nieman, (2001).
• Esta diferencia se explica asumiendo que un
electrón gira alrededor de su propio eje y que la
dirección de este movimiento puede ser la misma
o la opuesta al movimiento orbital.
• Por ejemplo, el sodio atómico, estas condiciones
el único electrón más externo de un átomo de
sodio ocupa el orbital 3s. (ver figura 6).
• El diagrama del sodio, es un diagrama
característico. Observe que la escala de energía
e lineal en unidades de electrón-voltio (eV),
asignado el valor cero al orbital 3s.
• La escala se extiende hasta unos 5,2 eV, la
energía necesaria para arrancar el único electrón
3s, y producir así un ion sodio.
• Las energías de varios orbitales atómicos se
indican en el diagrama mediante líneas
horizontales, obsérvese que los orbitales p se
desdoblan en dos niveles que difieren ligeramente
en energía.
Fuente: Whitten, Davis, Peck, & Stanley, (2015)
1. Cuando los átomos son excitados absorben energía
que luego emiten en forma de luz.
2. La luz se hace pasar a través de una rendija estrecha y
después se dispersa mediante un prisma.
3. Los distintos colores que componen la luz se detectan y
registran en una película fotográfica.
4. Cada longitud de onda componente aparece como una
imagen de la rendija, una línea estrecha.
Fuente: Skoog, West, Holler, & Crouch, (2015).
Luz visible
Hidrógeno (H)
Helio (He)
Hierro (Fe)
Figura 7. Espectros de líneas de emisión de la luz visible y para tres elementos químicos.
• Si la fuente de un espectro emite luz con un
número relativamente pequeño de longitudes de
onda, se observará un espectro discontinuo.