Espectroscopios

Los espectroscopios son instrumentos destinados al análisis de la luz. Con este análisis se puede obtener información sobre un gran número de fenómenos físicos o propiedades de los cuerpos, por lo que, en la actualidad se emplean en una gran diversidad de áreas, que incluyen desde la investigación teórica en química o física cuántica hasta la industria química o la medicina. También existen una gran diversidad de métodos y técnicas relacionadas con la espectroscopia y, como consecuencia de eso, un gran número de diseños de espectroscopios con características muy diferentes entre sí, de modo que resulta difícil reconocer la existencia de unos fundamentos teóricos comunes. Por el contrario, el fundamento de los primeros espectroscopios es muy sencillo de entender, se basaban en un proceso que separaba la luz blanca visible en sus diferentes colores. Un proceso natural en el que se da esta situación es el arco iris que aparece en momentos de lluvia con presencia de luz solar suficiente, de modo que las gotas de agua actúan como pequeños prismas que separan las diferentes radiaciones. Los primeros espectroscopios contenían prismas de vidrio para realizar esta dispersión de las radiaciones luminosas, gracias a los diversos ángulos de refracción que presentan los diferentes colores (o longitudes de onda) de la luz blanca. También se emplearon para este mismo objetivo redes de difracción, otro fenómeno que permite la separación de las radiaciones que forman la luz blanca (James, 1985).

Se suele atribuir a los alemanes Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff la creación del primer espectroscopio a mediados del siglo xix. En realidad, varios autores realizaron instrumentos semejantes en períodos anteriores, incluyendo, en algunos casos, propuestas para el empleo de los espectros en el análisis químico. A principios del siglo xix, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) realizóimportantes investigaciones sobre el espectro solar que le permitieron observar una serie de líneas negras que ahora llevan su nombre. Los estudios de Fraunhofer fueron el resultado de su interés por la obtención de luz homogénea para el correcto funcionamiento de sus instrumentos ópticos. También se impulsaron estudios sobre los espectros por parte de autores interesados en la nueva teoría ondulatoria de la luz o las propiedades de la chispa eléctrica. La aplicación de los espectros al análisis químico contó con algunos pioneros como William Talbot (1800-1877) que, tras estudiar diversos espectros de llama, llegó a afirmar que “siempre que el prisma muestra que un rayo homogéneo de cualquier color existe en la llama, este rayo indica la formación o la presencia de un compuesto químico definido” (McGucken, 1969). Estos intentos pioneros, sin embargo, tuvieron una limitada aplicación debido a problemas teóricos y prácticos: muchos espectros de llama parecían más complejos de lo que inicialmente se había pensado y las líneas de Fraunhofer seguían sin contar con una explicación aceptable. En los años cincuenta, diversos factores confluyeron para que se multiplicaran los estudios sobre espectros, tales como los realizados por William Swan, profesor de la Scottish Naval and Military Academy, que le condujeron a constatar la gran sensibilidad del análisis espectral, que permitía detectar cantidades muy pequeñas de ciertos elementos como el sodio. Todo ello, le permitió explicar la presencia generalizada de la línea D del sodio y remarcar la necesidad de trabajar con grandes precauciones respecto a la pureza de las muestras y las llamas empleadas (McGucken, 1969). El mechero introducido por Bunsen en esos años permitió solucionar algunos de estos problemas.

El instrumento propuesto en 1860 en la revista Annalen der Physik und Chemie por Bunsen y Kirchhoff presentaba algunas ventajas sobre los que le habían precedido. Constaba de un colimador que recibía la luz emitida por la muestra que era refractada en un prisma situado en el centro de una caja de color negro. El prisma permitía separar los diferentes colores de la radiación que eran convenientemente dirigidos hacia el objetivo desde donde podían observarse. El aparato fue modificado en los años siguientes por estos científicos y el fabricante de instrumentos de Munich Carl August Steintheil (1801-1870) (Hentschel, 2002). La principal novedad fue la introducción de un tercer brazo dando lugar a un modelo de espectroscopio que alcanzó gran popularidad, siendo quizás uno de los grabados más difundidos en los libros de texto del siglo xix. También se introdujeron sistemas con varios prismas que permitían una mayor separación de las líneas espectrales, al multiplicar el poder de refracción. De este modo, fue posible el descubrimiento de una serie de elementos desconocidos a través de sus líneas espectrales características y algunos de ellos, como el cesio, rubidio o talio, fueron denominados de acuerdo con el color de estas líneas.

Esquema de funcionamiento del espectroscopio. El espectroscopio consta de tres brazos, el de la derecha es el objetivo [L] y el de la izquierda [M] es el que conduce la luz emitida por la muestra hasta el prisma [abc] que produce la separación de los diversos colores. El tercer brazo, situado en el centro de la figura [m-n] contiene una escala graduada sobre vidrio, colocada de tal modo que su imagen se refleja sobre una de las caras del prisma [abc] del espectroscopio y se dirige hacia el objetivo [L]. De este modo, en el objetivo aparecen superpuestas dos imágenes, la escala graduada y la procedente de la muestra con las líneas espectrales características de la sustancia. Por ello, resulta posible calibrar el instrumento mediante líneas producidas por sustancias cuyo espectro es conocido. Utilizando varias sustancias de este tipo, se puede establecer una gráfica que relaciona la longitud de onda de la radiación emitida con la escala de la regla graduada del espectroscopio correspondiente. El brazo que recoge la luz de la muestra [M] contiene una rendija variable y un prisma, con lo que se pueden comparar simultáneamente la luz de dos muestras diferentes, de acuerdo con el esquema de la gráfica adjunta.