Historia de la espectroscopia para niños
La historia de la espectroscopia es el relato de cómo hemos aprendido a estudiar la luz para entender de qué están hechas las cosas. Todo comenzó con los experimentos de Isaac Newton en el siglo XVII.
En 1672, Isaac Newton hizo un experimento famoso. Dejó que la luz del sol pasara por un pequeño agujero y luego por un prisma. Descubrió que la luz blanca del sol, en realidad, está formada por una mezcla de todos los colores del arcoíris. Newton llamó a esta banda de colores "espectro". Demostró que el prisma no creaba los colores, sino que los separaba, ya que ya estaban presentes en la luz blanca.
Contenido
¿Cómo mejoró la espectroscopia con el tiempo?
En los siglos XVIII y XIX, los científicos mejoraron el prisma añadiendo rendijas y lentes telescópicas. Esto hizo que la herramienta fuera más potente y precisa para examinar la luz de diferentes fuentes.
Descubrimientos clave en el siglo XIX
En 1802, William Hyde Wollaston construyó un espectrómetro mejorado. Con él, notó que en el espectro del sol había bandas oscuras, como si faltaran algunos colores.
Más tarde, en 1815, el astrónomo Joseph von Fraunhofer estudió estas bandas oscuras con mucho cuidado. Descubrió que el espectro de la luz solar estaba dividido por una serie de líneas oscuras, que hoy llamamos líneas de Fraunhofer. Calculó sus longitudes de onda con gran precisión.
Sin embargo, cuando se calentaban gases o metales en un laboratorio, la luz que emitían mostraba líneas brillantes y de colores sobre un fondo oscuro. Cada una de estas líneas era única para cada elemento, como una "huella digital". Así, la espectroscopia se convirtió en una técnica científica muy importante en la química, la física y la astronomía.
También se descubrió que un elemento muy caliente (incandescente) producía una luz blanca continua, con todos los colores. Pero si esa luz continua pasaba a través de una capa delgada de un elemento más frío, aparecían líneas oscuras.
En 1860, el físico Gustav Kirchhoff y el químico Robert Bunsen demostraron que las líneas oscuras en el espectro del sol coincidían con las líneas brillantes de algunos gases conocidos. Esto significaba que los elementos químicos en la atmósfera del sol absorbían la luz en las mismas frecuencias en las que la emitían. Así se confirmó que los elementos químicos en el sol y las estrellas son los mismos que los de la Tierra. Este descubrimiento permitió a los científicos conocer la composición química de estrellas lejanas.
Kirchhoff y Bunsen incluso descubrieron dos nuevos elementos, el cesio y el rubidio, mientras estudiaban el espectro del sol en 1861.
El descubrimiento del helio
En 1868, Norman Lockyer también estudió los espectros del sol y las estrellas. Notó una línea amarilla en el espectro solar que no correspondía a ningún elemento conocido en la Tierra. Pensó que era un nuevo elemento y lo llamó helio, en honor a Helios, la personificación griega del sol. El helio terrestre no se descubrió hasta 1895.
¿Cómo empezó todo?
Los romanos ya sabían que un prisma podía crear un arcoíris. En el siglo XIV, Thierry de Freiberg describió cómo la luz se separaba en colores al pasar por un objeto de vidrio.
Newton es considerado el fundador de la espectroscopia porque fue el primero en estudiar este fenómeno de forma sistemática entre 1666 y 1672. En su libro Opticks, explicó cómo la luz blanca se descompone en colores con un prisma y cómo estos colores pueden volver a combinarse para formar luz blanca.
Al principio, los científicos usaban la luz de velas, del sol o de estrellas. Los experimentos con prismas mostraron que cada sustancia química producía un patrón de colores diferente al quemarse.
Avances a principios del siglo XIX (1800-1829)
En 1802, William Hyde Wollaston mejoró el espectrómetro de Newton. Notó las bandas oscuras en el espectro del sol, aunque no entendió su significado en ese momento.
Joseph von Fraunhofer dio un gran paso al usar una rejilla de difracción en lugar de un prisma. Una rejilla de difracción es una placa con miles de ranuras muy finas y espaciadas. Esto mejoró mucho la forma de separar la luz y permitió medir las longitudes de onda con más precisión. Fraunhofer publicó sus observaciones de las líneas oscuras en el espectro solar en 1814, que hoy llevan su nombre.
En la década de 1820, los astrónomos John Herschel y William Fox Talbot observaron sistemáticamente los colores de las llamas de diferentes sales químicas, una técnica llamada espectroscopia de llama.
La mitad del siglo XIX (1830-1869)
En 1835, Charles Wheatstone descubrió que las sales de diferentes metales podían identificarse por las líneas brillantes en el espectro de sus chispas eléctricas. En 1849, Léon Foucault demostró que las líneas oscuras (de absorción) y las líneas brillantes (de emisión) del mismo color provenían del mismo elemento químico.
En 1853, el físico sueco Anders Jonas Ångström propuso que los gases calientes emitían luz de las mismas longitudes de onda que podían absorber.
En la década de 1860, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen hicieron un trabajo muy importante. Confirmaron que cada elemento químico tiene un espectro único. También establecieron la conexión entre las líneas de absorción y las de emisión, lo que les permitió identificar elementos químicos en el sol. Kirchhoff formuló las tres leyes de la espectroscopia:
- Un objeto muy caliente (sólido, líquido o gas) produce un espectro continuo (todos los colores).
- Un gas produce un espectro con líneas de colores específicas, dependiendo de los átomos del gas.
- Un objeto caliente rodeado de un gas frío, o un gas frío solo, produce un espectro casi continuo con líneas oscuras en ciertas longitudes de onda, que corresponden a los átomos del gas.
Angelo Secchi usó la espectroscopia para clasificar las estrellas según su espectro luminoso, lo que más tarde se relacionó con la temperatura de su superficie.
William Huggins y su esposa Margaret usaron la espectroscopia para demostrar que las estrellas están hechas de los mismos elementos químicos que la Tierra. También usaron el efecto Doppler para determinar la velocidad de rotación de la estrella Sirio.
¿Qué otros tipos de espectroscopia se desarrollaron?
Espectroscopia de rayos X
Después del descubrimiento de los rayos X en 1895, se desarrolló la espectroscopia de rayos X. William Henry Bragg y su hijo Lawrence usaron esta técnica para analizar la estructura de los cristales. Más tarde, fue clave para el descubrimiento de la estructura del ADN en 1953.
La espectroscopia y la mecánica cuántica
A principios del siglo XX, la espectroscopia fue muy importante para el desarrollo de la mecánica cuántica. Esta nueva rama de la física ayudó a explicar por qué los átomos y las moléculas emiten o absorben luz en líneas específicas.
Las líneas en los espectros de los átomos y las moléculas representan la energía que se intercambia cuando los electrones cambian de un estado a otro. La explicación de estas líneas fue uno de los grandes misterios que la mecánica cuántica resolvió.
Espectroscopia infrarroja y Raman
Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron los primeros espectrómetros de infrarrojos para analizar la composición de materiales. La espectroscopia infrarroja se hizo popular para identificar la "huella digital" de cualquier molécula.
La espectroscopia Raman, observada por primera vez en 1928, se basa en cómo la luz se dispersa al interactuar con una sustancia, y cada compuesto tiene un patrón de dispersión único.
Espectroscopia láser
La espectroscopia láser usa láseres para estudiar la materia. El láser se inventó porque los científicos querían hacer mediciones más precisas. Charles H. Townes y otros inventaron el máser (un precursor del láser) para estimular la materia y determinar las frecuencias que emitían los átomos y las moléculas.
Los láseres han permitido experimentos de mucha mayor precisión, como el estudio de los efectos de la luz y la creación de relojes atómicos. También se usan para detectar compuestos en materiales directamente en el lugar, sin necesidad de llevarlos a un laboratorio.
Véase también
- Lista de espectroscopistas
- Espectrometría de masa
- Historia de la mecánica cuántica
