Espectrómetro para niños
Un espectrómetro, también llamado espectrofotómetro o espectrógrafo, es un aparato que sirve para analizar las características de las ondas. Puede estudiar, por ejemplo, cómo se distribuyen las diferentes frecuencias en una onda. Estos instrumentos se usan para medir propiedades en un rango muy amplio de ondas.
Un espectrómetro óptico o espectroscopio es un tipo especial de espectrómetro que mide las propiedades de la luz en una parte específica del espectro electromagnético. Lo que más se mide es la intensidad luminosa, pero también se puede medir, por ejemplo, la polarización electromagnética. La medida principal suele ser la longitud de onda de la luz, que se relaciona con la energía de los fotones. Los espectrómetros se usan en espectroscopia para ver las líneas espectrales y medir su longitud de onda e intensidad.
En general, cada tipo de espectrómetro está diseñado para trabajar con una parte específica del espectro, ya que se necesitan técnicas diferentes para cada sección. Por ejemplo, un analizador de espectro es un aparato electrónico similar que se usa para frecuencias más bajas, como las microondas y las radiofrecuencias.
Esta herramienta es muy útil para observar los espectros de emisión que producen los elementos cuando absorben o liberan energía en forma de fotones. Cada elemento tiene un espectro único, como una huella dactilar. La cantidad de energía necesaria para crear un espectro varía según el elemento. En 1920, el científico Niels Bohr propuso ideas basadas en la energía que liberaba un átomo de hidrógeno, lo que ayudó a la creación de los espectrómetros.
Contenido
Tipos de espectrómetros
Los espectrómetros se clasifican según el uso que se les da.
Espectrómetro de masa
El espectrómetro de masas es un instrumento que se usa para saber la cantidad y el tipo de moléculas que hay en una muestra, o para conocer la proporción de isótopos y la composición química. Funciona midiendo la relación masa a carga eléctrica y la cantidad de iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) en estado gaseoso.
El proceso típico de un espectrómetro de masa es el siguiente:
- Primero, una muestra (que puede ser sólida, líquida o gaseosa) se convierte en iones. Esto se hace, por ejemplo, bombardeándola con un haz de electrones. Así, algunas moléculas se rompen en fragmentos con carga positiva, o simplemente adquieren una carga positiva.
- Luego, estos iones se separan según su relación masa-carga. Esto se logra acelerándolos y haciéndolos pasar por un campo eléctrico o magnético. Los iones con la misma relación masa-carga se desvían de la misma manera.
- Finalmente, los iones son detectados por un mecanismo que puede sentir partículas cargadas, como un multiplicador de electrones. Los resultados se muestran en gráficos que indican la intensidad de la señal de los iones detectados en función de su relación masa-carga. Así, se pueden identificar los átomos o moléculas de la muestra comparando sus masas con las conocidas o con patrones de fragmentación.
Estos aparatos tienen varias partes importantes: un lugar para introducir las sustancias a analizar, un sistema para convertir las sustancias en iones, un acelerador que dirige los iones hacia el lugar de medición, y un mecanismo que separa los iones y registra los resultados, que suelen ser gráficos eléctricos.
Espectrómetro de tiempo de vuelo
El espectrómetro de tiempo de vuelo (TOF, por sus siglas en inglés) es un instrumento que mide la masa de los iones basándose en el tiempo que tardan en viajar por un tubo al vacío. Los iones se aceleran con un campo eléctrico y luego viajan por un espacio vacío hasta un detector. Como los iones con diferente masa viajan a velocidades distintas, el tiempo que tardan en llegar al detector varía según su masa. Este tiempo se usa para calcular la relación masa/carga (m/z) de los iones, lo que permite identificar y medir diferentes compuestos en una muestra.
El funcionamiento básico de un espectrómetro TOF es así:
- Primero, los átomos o moléculas de la muestra se convierten en iones, a menudo usando un láser o una fuente de iones.
- Una vez que son iones, se aceleran con un campo eléctrico y viajan por el tubo de vuelo.
- Cuanto más pesado es el ion, más lento viaja; cuanto más ligero, más rápido llega al detector.
- El detector mide el tiempo exacto que tardan los iones en llegar, lo que permite calcular su relación masa/carga.
Los espectrómetros TOF son muy útiles cuando se necesita medir masas con mucha precisión y cuando se analizan mezclas complejas. Son ideales para estudiar biomoléculas, compuestos químicos complejos y en la industria farmacéutica para caracterizar medicamentos. También se recomiendan cuando se necesita rapidez y exactitud en la toma de datos.
Espectrómetro magnético
Cuando una partícula con carga eléctrica (carga q, masa m) entra en un campo magnético constante B formando un ángulo recto, se desvía y sigue una trayectoria circular de radio r. Esto ocurre debido a la fuerza de Lorentz. El momento p de la partícula se calcula con la fórmula:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): p = mv = qBr ,
donde m es la masa y v es la velocidad de la partícula. El principio del espectrómetro más antiguo y sencillo, el semicircular, inventado por J. K. Danisz, se muestra a la izquierda. Un campo magnético constante se aplica de forma perpendicular a la superficie. Las partículas cargadas con momento p que pasan por una rendija se desvían en trayectorias circulares de radio r = p/qB. Todas ellas chocan con la línea horizontal en casi el mismo punto, llamado foco; allí se coloca un contador de partículas. Al cambiar el campo B, se puede medir el espectro de energía de diferentes partículas, o la cantidad relativa de varias masas en un espectrómetro de masas.
Desde la época de Danysz, se han diseñado muchos tipos de espectrómetros magnéticos más complejos que el semicircular.
Espectrómetro óptico
El espectrómetro óptico se usa para medir las propiedades de la luz en una parte del espectro electromagnético. Generalmente, se mide la intensidad de la luz, pero también se puede medir su polarización. En óptica, el espectrómetro separa la luz que recibe según su longitud de onda y registra el espectro en un detector. Este aparato ha reemplazado al espectroscopio en algunas aplicaciones científicas.
Espectrómetros ópticos de absorción
Los espectrómetros ópticos (a menudo llamados simplemente "espectrómetros") muestran la intensidad de la luz según su longitud de onda o frecuencia. Las diferentes longitudes de onda de la luz se separan usando la refracción en un prisma o la difracción con una rejilla de difracción. Un ejemplo es la espectroscopia ultravioleta-visible.
Estos espectrómetros usan el fenómeno de la dispersión óptica. La luz de una fuente puede tener un espectro continuo, un espectro de emisión (líneas brillantes) o un espectro de absorción (líneas oscuras). Como cada elemento deja una "huella" única en el patrón de líneas que se observa, un análisis espectral puede revelar la composición de los objetos que se estudian.
Espectrómetros ópticos de emisión
Los espectrómetros ópticos de emisión atómica (a menudo llamados espectrómetros de descarga de chispa) se usan para analizar metales y determinar su composición química con mucha precisión. Se aplica una chispa de alto voltaje a la superficie del metal, lo que vaporiza las partículas y las convierte en un plasma. Luego, estas partículas e iones emiten una radiación que se mide con detectores (como tubos fotomultiplicadores) en diferentes longitudes de onda características.
Espectroscopios
Los espectrómetros conocidos como espectroscopios se usan en análisis espectroscópico para identificar materiales. Son comunes en astronomía y en algunas áreas de la química. Los primeros espectroscopios eran sencillos: un prisma con marcas para señalar las longitudes de onda de la luz. Los espectroscopios modernos, como los monocromadores, suelen usar una rejilla de difracción, una rendija móvil y un detector fotoeléctrico. Todo esto está automatizado y controlado por una computadora. El espectroscopio fue inventado en 1860 por Gustav Kirchhoff y Robert Wilhelm Bunsen.
Cuando un material se calienta hasta que brilla (incandescencia), emite una luz que es característica de los átomos que lo forman. La luz que emite un átomo "excitado" está compuesta por longitudes de onda muy específicas, que son como la "huella dactilar" del átomo. Por ejemplo, el sodio produce dos bandas amarillas muy distintivas (conocidas como las líneas D del sodio) en 588,9950 y 589,5924 nanómetros. Este color es conocido por quienes han visto una lámpara de vapor de sodio de baja presión.
En los primeros espectroscopios del siglo XIX, la luz entraba por una rendija y una lente la convertía en finos rayos de luz paralelos. Luego, la luz pasaba por un prisma (en los espectroscopios portátiles, a menudo un prisma de Amici) que refractaba el haz de luz, separándolo en un espectro. Esta imagen se veía en un tubo con una escala para medir el espectro.
Con el desarrollo de la película fotográfica, se inventó un espectrógrafo más preciso. Funcionaba con el mismo principio que el espectroscopio, pero tenía una cámara en lugar del tubo de observación. En los últimos años, los circuitos electrónicos con tubo fotomultiplicador han reemplazado a la cámara, permitiendo un análisis espectrográfico en tiempo real con mucha más precisión. También se usan filas de fotodetectores en lugar de películas. El análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en una herramienta científica muy importante para analizar la composición de materiales desconocidos, estudiar fenómenos en astronomía y comparar teorías astronómicas.
Uso en óptica
En óptica, el espectrógrafo separa la luz que entra según su longitud de onda y registra el espectro resultante en un detector. Este tipo de espectrómetro ha reemplazado al espectroscopio en muchas aplicaciones científicas.
Los espectrógrafos se usan mucho en astronomía. Se colocan en el foco de un telescopio, ya sea uno en un observatorio terrestre o uno a bordo de una nave espacial.
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Los Mars Exploration Rovers (MER) tienen cada uno un Mini-TES, que es un espectrómetro de emisión térmica en miniatura (un espectrómetro de infrarrojo).
Los primeros espectrógrafos usaban papel fotográfico como detector. La clasificación del espectro de las estrellas, el descubrimiento de la Secuencia principal, la ley de Hubble-Lemaître y la secuencia de Hubble se lograron con espectrógrafos que usaban papel fotográfico. El fitocromo, un pigmento de las plantas, se descubrió con un espectrógrafo que usaba plantas vivas como detectores.
Los espectrógrafos más recientes usan detectores electrónicos, como los sensores fotográficos CCD, que pueden usarse tanto para la luz ultravioleta como para el espectro visible. La elección del detector depende de las longitudes de onda de la luz que se quiere medir.
Por ejemplo, el IRS (Infrared Spectrograph), a bordo del telescopio espacial Spitzer, es un espectrógrafo que produce espectros de la radiación entre 5 µm y 38 µm. El telescopio espacial James-Webb contiene un espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y un espectrómetro de infrarrojo medio (MIRI).
Un espectrógrafo escalonado suele usar tres elementos ópticos que difractan la luz: una rejilla de difracción y dos prismas. Así, la luz se recoge en un punto de entrada, no en una rendija, y un segundo CCD registra el espectro.
Normalmente, se esperaría leer el espectro en diagonal. Sin embargo, cuando las dos rejillas tienen el paso adecuado y una está configurada para distinguir solo el primer orden, mientras que la segunda descompone varios de los órdenes superiores, se obtiene un espectro bien separado en un sensor fotográfico CCD pequeño y común. Otra ventaja de usar un sensor pequeño es que no es necesario corregir el colimador por aberración cromática o astigmatismo, ya que la aberración esférica puede considerarse cero.
Galería de imágenes
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Espectrómetro
Véase también
En inglés: Spectrometer Facts for Kids
- Espectroscopia
- Espectrómetro de masa
- Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
- Monocromador
- Colorímetro
- Segundo
