Espectroscopia atómica

En física , la espectroscopia atómica es el estudio de la radiación electromagnética absorbida y emitida por los átomos . Dado que cada elemento tiene un espectro de emisión único , la espectroscopia atómica se aplica para determinar su composición elemental. Se puede clasificar según la fuente de atomización o el tipo de espectroscopia utilizada. En este último caso, la principal división se establece entre la espectrometría óptica y la espectrometría de masas . La espectrometría de masas generalmente ofrece un rendimiento analítico significativamente superior, pero también es mucho más compleja. Esta complejidad se traduce en mayores costos de adquisición, mayores costos operativos, mayor capacitación del operador y un mayor número de componentes que pueden fallar. Debido a que la espectroscopia óptica suele ser menos costosa y ofrece un rendimiento adecuado para muchas tareas, es mucho más común. Los espectrómetros de absorción atómica son uno de los dispositivos analíticos más vendidos y utilizados.

Los electrones existen en niveles de energía (es decir, orbitales atómicos ) dentro de un átomo. Los orbitales atómicos están cuantizados, lo que significa que existen como valores definidos en lugar de ser continuos (véase: orbitales atómicos ). Los electrones pueden moverse entre orbitales, pero al hacerlo deben absorber o emitir energía igual a la diferencia de energía entre los niveles de energía orbitales cuantizados específicos de su átomo. En espectroscopia óptica, la energía absorbida para mover un electrón a un nivel de energía superior (orbital superior) y/o la energía emitida cuando el electrón se mueve a un nivel de energía inferior se absorbe o emite en forma de fotones (partículas de luz). Dado que cada elemento tiene un número único de electrones, un átomo absorberá/liberará energía siguiendo un patrón único para su identidad elemental (por ejemplo, Ca, Na, etc.) y, por lo tanto, absorberá/emitirá fotones siguiendo un patrón correspondientemente único. El tipo de átomos presentes en una muestra, o la cantidad de átomos presentes en una muestra, se puede deducir midiendo estos cambios en la longitud de onda y la intensidad de la luz.

La espectroscopia atómica se divide a su vez en espectroscopia de absorción atómica y espectroscopia de emisión atómica . En la espectroscopia de absorción atómica, se hace pasar luz de una longitud de onda predeterminada a través de un conjunto de átomos. Si la longitud de onda de la luz fuente tiene una energía que corresponde a la diferencia de energía entre dos niveles de energía en los átomos, una parte de la luz será absorbida. La diferencia entre la intensidad de la luz emitida por la fuente (por ejemplo, una lámpara) y la luz captada por el detector produce un valor de absorbancia. Este valor de absorbancia se puede utilizar para determinar la concentración de un elemento (o átomos) determinado en la muestra. La relación entre la concentración de átomos, la distancia que recorre la luz a través del conjunto de átomos y la porción de luz absorbida viene dada por la ley de Beer-Lambert . En la espectroscopia de emisión atómica , la intensidad de la luz emitida es directamente proporcional a la concentración de átomos.

Las fuentes de radiación pueden adaptarse de diversas maneras, pero las listas a continuación muestran los usos generales de varias de ellas. De estas, las llamas son las más comunes debido a su bajo costo y simplicidad. Si bien son mucho menos comunes, los plasmas acoplados inductivamente, especialmente cuando se utilizan con espectrómetros de masas, son reconocidos por su excelente rendimiento analítico y su versatilidad.

Para la espectroscopia atómica, es necesario vaporizar y atomizar una muestra. En la espectrometría de masas atómica, también es necesario ionizarla. La vaporización, la atomización y la ionización suelen realizarse con una sola fuente, aunque no siempre. Alternativamente, se puede usar una fuente para vaporizar la muestra y otra para atomizarla (y posiblemente ionizarla). Un ejemplo de esto es la espectrometría de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente y ablación láser, donde se utiliza un láser para vaporizar una muestra sólida y un plasma acoplado inductivamente para atomizar el vapor.

Con excepción de las llamas y los hornos de grafito, que son los más utilizados para la espectroscopia de absorción atómica, la mayoría de las fuentes se utilizan para la espectroscopia de emisión atómica.

Las fuentes de muestreo de líquidos incluyen llamas y chispas (fuente de átomos), plasma acoplado inductivamente (fuente de átomos e iones), horno de grafito (fuente de átomos), plasma de microondas (fuente de átomos e iones) y plasma de corriente continua (fuente de átomos e iones). Las fuentes de muestreo de sólidos incluyen láseres (fuente de átomos y vapor), descarga luminiscente (fuente de átomos e iones), arco (fuente de átomos e iones), chispa (fuente de átomos e iones) y horno de grafito (fuente de átomos y vapor). Las fuentes de muestreo de gases incluyen llama (fuente de átomos), plasma acoplado inductivamente (fuente de átomos e iones), plasma de microondas (fuente de átomos e iones), plasma de corriente continua (fuente de átomos e iones) y descarga luminiscente (fuente de átomos e iones).

Para cualquier átomo dado, existen números cuánticos que pueden especificar su función de onda . Tomando como ejemplo el átomo de hidrógeno , se requieren cuatro números cuánticos para describir completamente el estado del sistema. Estos números cuánticos son autovalores de los operadores que conmutan con la función de onda para describir aspectos físicos del sistema, y ​​se denominan números "buenos" por esta razón. ^{[ 1 ]} Una vez que se han encontrado los números cuánticos adecuados para una transición atómica dada, las reglas de selección determinan qué cambios en los números cuánticos están permitidos.

La transición dipolar eléctrica (E1) de un átomo de hidrógeno se puede describir mediante los números cuánticos l (momento angular orbital), m _l (momento magnético), m _s (espín electrónico) y n (momento principal). Al evaluar el efecto del operador de momento dipolar eléctrico μ sobre la función de onda del sistema, observamos que todos los valores del autovalor son cero, excepto cuando los cambios en los números cuánticos siguen un patrón específico.

$${\displaystyle \langle \Psi _{nlm_{l}m_{s}}|\mu |\Psi _{n'l'm_{l}'m_{s}'}\rangle }$$

Por ejemplo, en la transición E1, a menos que Δ l = ± 1, Δ m _l = 0 o ± 1, Δ m _s = 0 y Δ n = cualquier entero, la ecuación anterior dará como resultado un valor igual a cero y la transición se conocería como una "transición prohibida". Por ejemplo, esto ocurriría en ciertos casos, como cuando Δ l = 2. En este caso, la transición no estaría permitida y, por lo tanto, sería mucho más débil que una transición permitida. Estos valores específicos para los cambios en los números cuánticos se conocen como las reglas de selección para las transiciones permitidas y se muestran para transiciones comunes en la tabla siguiente:

• espectroscopia de fluorescencia atómica de vapor frío
• Línea espectral atómica

• Perspectivas en espectrometría atómica analítica : tendencias en las cinco ramas principales de la espectrometría atómica (absorción, emisión, masas, fluorescencia e ionización).
• Aprendizaje mediante simulaciones : diversos espectros de absorción y emisión atómica.
• Espectroscopia atómica: un compendio de ideas básicas, notación, datos y fórmulas.