Autor: Nicolás A. Cordero, catedrático responsable del grupo Simulación de Materiales de la Universidad de Burgos.
Todos hemos visto alguna vez un arco iris. Sabemos que se produce por la descomposición de la luz del Sol al pasar a través de las gotitas de agua que hay en la atmósfera. El conjunto de colores que emite un cuerpo se llama espectro. Por lo tanto, el arco iris es el espectro solar. Podemos observarlo con más detalle si hacemos pasar la luz del Sol por un prisma triangular de vidrio como este1:
Arco Iris y espectro de color
En la cara izquierda del prisma se ve un arco iris producido por la descomposición de la luz blanca usada para hacer la fotografía. Si en lugar de luz artificial hacemos pasar un rayo de luz solar por el prisma y miramos desde el lado de la izquierda, la imagen que obtenemos es la siguiente2:
Vemos, como esperábamos, los colores del arco iris. Pero no están todos. Faltan algunos de ellos que aparecen como líneas negras. Si en vez de la luz del Sol, usamos la de un tubo fluorescente, la imagen que vemos es esta:
El espectro es similar, pero ahora aparecen, además de los colores del arco iris, unas líneas brillantes de colores amarillo, verde y violeta.
Átomos y electrones
¿Por qué aparecen líneas en los espectros? Para entenderlo, necesitamos recordar que la materia está constituida por átomos que tienen en su parte central un núcleo que está cargado positivamente y alrededor de este hay unas partículas con carga negativa llamadas electrones que se mueven en órbitas alrededor del núcleo. La diferencia entre unos tipos de átomos y otros se debe al tamaño de los núcleos y al número de electrones que giran alrededor de ellos. El hidrógeno tiene un núcleo muy pequeño y solo un electrón, el helio un núcleo un poco más grande y dos electrones, el litio un núcleo algo mayor y tres electrones, …. Podríamos seguir así hasta el oganesón que tiene un núcleo muy grande y 118 electrones3. Los cuatro átomos más sencillos son estos:
Esta figura no está a escala. Para hacernos una idea de lo pequeño que es el núcleo podemos usar una comparación: La relación entre el tamaño del núcleo y el de la nube de electrones es similar a la que hay entre una mosca y la catedral de Burgos. El átomo se parece a un sistema solar en miniatura. Pero hay una diferencia crucial. Los planetas pueden describir órbitas a cualquier distancia de su estrella, mientras que los electrones solo pueden describir algunas órbitas concretas alrededor del núcleo.
Cada órbita tiene una energía diferente. Cuando un electrón pasa de una orbita con mayor energía a otra con menor energía emite luz cuyo color depende de cual sea la diferencia de energía entre la órbita inicial y la final. Como para cada tipo de átomo solo hay algunas órbitas posibles, las energías de las órbitas están fijadas y, con ello, las diferencias entre ellas. Por lo tanto, cada tipo de átomo solo puede producir un conjunto de colores bien definido, es decir, emite un espectro de líneas brillantes diferente. El espectro de un átomo permite identificarlo, de la misma forma que las huellas dactilares permiten identificar a los seres humanos.
El prisma de vidrio, la herramienta clave
Si hacemos pasar la luz que sale de una lámpara (que se calienta hasta que los átomos emitan luz) por un prisma de vidrio y analizamos los colores de su espectro, podemos saber qué átomos hay en su interior. Para hacerlo se usa un aparato llamado espectroscopio que tiene un prisma de vidrio y tres tubos a su alrededor. Por uno de ellos entra la luz de la lámpara y por otro la de una linterna que ilumina una escala para poder medir dónde está cada color. Si miramos por el ocular que hay a la salida del tercer tubo, la luz que sale por él forma una imagen en la que se ven a la vez el espectro de la lámpara y la escala de medida:
Si colocamos lámparas con diferentes átomos, obtenemos diferentes espectros. Estos son algunos ejemplos:
¿Eres capaz de adivinar cuál de estos tipos de átomos está dentro de un tubo fluorescente? Para ayudarte, aquí tienes de nuevo el espectro del tubo, pero esta vez con escala:
Ten en cuenta que el tubo de vidrio absorbe algo de luz y que la sensibilidad de la cámara no es la misma en todos los colores, por lo que no se aprecian algunas líneas. Cuando hayas decidido cuál es el tipo de átomo, puedes comprobar tu respuesta al final del artículo.
Ya sabemos el origen de las líneas brillantes en los espectros, pero ¿por qué aparecen líneas negras en el espectro solar? La razón es que cuando un electrón pasa de una órbita de menor energía a una de mayor energía absorbe luz y el color de esta luz depende de cual sea la diferencia de energía entre la órbita inicial y la final.
¿Cómo funciona?
Si iluminamos muchos átomos del mismo tipo con luz blanca, los átomos absorberán los colores asociados a los cambios de órbita posibles de sus electrones y esos colores desaparecerán del espectro. La luz que nos llega del Sol ha pasado por dos atmósferas (la solar y la terrestre) y han desparecido del espectro los colores asociados a los saltos de los electrones de todos los tipos de átomos que hay en esas atmósferas.
Por lo tanto, las líneas negras nos indican qué tipos de átomos hay tanto en la atmósfera solar como en la terrestre. De hecho, cuando se observaron con cuidado las líneas negras en el espectro solar aparecieron algunas que no coincidían con ningún tipo de átomo conocido. Era tal la seguridad de que el espectro era la “huella dactilar” de los átomos, que se supuso que había un tipo de átomo en el Sol que no se había detectado todavía en la Tierra y se decidió ponerle nombre en honor del dios griego del Sol: Helios. Por ese motivo uno de los gases nobles se llama helio.
Cuando los astrofísicos empezaron a usar los espectroscopios para determinar la composición de estrellas muy lejanas se llevaron una sorpresa: Las líneas de los espectros estaban desplazadas hacia el rojo y cuanto más lejos estaban las estrellas que observaban mayor era el desplazamiento4:
El telescopio espacial James Webb
Para entenderlo tenemos que recordar que la luz es una onda igual que el sonido. ¿Qué ocurre cuando escuchamos la sirena de una ambulancia? Si la ambulancia viene hacia nosotros oímos la sirena más aguda que cuando se aleja y cuanto mayor es la velocidad con la que se mueve, mayor es el cambio5. Lo mismo ocurre con la luz. Cuando la fuente que la emite se acerca hacia nosotros su luz se ve más azulada y cuando se aleja más rojiza.
Estamos acostumbrados a este fenómeno para el sonido y no para la luz porque su intensidad depende de la relación entre la velocidad de la fuente y la velocidad a la que se mueve la onda (y la luz se mueve casi un millón de veces más deprisa que el sonido). Por lo tanto, este desplazamiento del color de la luz nos indica que el Universo se está expandiendo y que cuanto más lejos miremos, más hacia el rojo estarán las líneas de los espectros6.
Hace unos meses se ha lanzado el telescopio espacial James Webb7 que aparece en la figura8:
Este telescopio ha sido diseñado para observar el universo muy lejano. Eso se traduce en que la luz que nos llega de él está muy desplazada hacia el rojo. Tanto, que ya no está dentro de los colores del arco iris sino por debajo del rojo en una zona del espectro que se llama infrarrojo. No podemos ver esta zona del espectro con nuestros ojos, pero sí sentirla con los receptores de temperatura de nuestra piel. Por eso podemos saber si un radiador está caliente o no sin necesidad de tocarlo.
De la misma forma que cada tipo de átomo tiene un espectro característico, cada molécula también tiene el suyo y, para la mayor parte de las moléculas relacionadas con la vida (como el oxígeno, el agua o el dióxido de carbono), sus líneas están en la parte infrarroja del espectro y tan juntas que forman bandas.
El telescopio Webb lleva un espectroscopio que es capaz de detectar estas bandas características de las moléculas relacionadas con la vida. Si la luz de una estrella pasa por la atmósfera de un planeta que orbite a su alrededor y que contenga alguna de estas moléculas lo notaremos es su espectro y sabremos que es un candidato a albergar vida9:
Como vemos, el arco iris nos ayuda a buscar vida extraterrestre.
Respuesta: Hay tres líneas que se ven muy bien en el espectro del tubo fluorescente: una amarilla (579), una verde (546) y una violeta (436). Solo hay un tipo de átomo cuyo espectro tenga estas tres líneas: el mercurio. Este es el tipo de átomo que hay dentro.
Referencias
1 Si no se indica lo contrario, todas las ilustraciones son originales del autor y las fotografías han sido tomadas por Mª Jesús Riaño y el autor en el laboratorio de óptica del Departamento de Física en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Burgos.
2 Adaptado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fraunhofer_lines.svg . En esta imagen están exageradas las anchuras de las líneas negras para que se aprecien bien. Puede verse una imagen más realista en https://solarsystem.nasa.gov/resources/390/the-solar-spectrum/
4 Adaptado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Redshift.svg
5 http://rsefalicante.umh.es/TemasOndas/Doplersirenaweb.webm
6 https://www.youtube.com/watch?v=aCoUbAfepwQ
7 Para saber más: https://elpais.com/ciencia/2021-12-19/el-telescopio-que-vera-como-nacio-la-luz-en-el-universo.html
8 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JWST_spacecraft_model_2.png
9 Adaptado y traducido del Webb Space Telescope Media Kit Rev 1.07, publicado por la NASA y disponible en: https://www.jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/assets/documents/WebbMediaKit.pdf
