Espectroscopía

La espectroscopía es una técnica que utiliza espectroscopios, dispositivos capaces de separar un haz de luz en sus componentes monocromáticos (deformar su espectro). El espectroscopio más sencillo es el prisma óptico.

Entre los espectros, distinguimos los continuos, como el de la luz blanca, y los discontinuos, que sólo presentan algunos rayos de colores sobre fondo oscuro. Cuando se analiza la luz emitida por una sustancia química, se habla de espectro de emisión. Si se estudia la luz después de haber atravesado un compuesto, hablamos de espectro de absorción. Para una sustancia, los espectros de absorción y emisión son complementarios.

Cada sustancia tiene un espectro de emisión característico y un espectro de absorción característico. La espectroscopía es un método de análisis físico y químico para identificar las sustancias por sus espectros.

DIBUJO 1

Óptica Geométrica

Fenómenos luminosos como las interferencias, la polarización y la difracción, sólo pueden interpretarse con el carácter ondulatorio de la luz y se estudian en la óptica física. Otros fenómenos, en especial la reflexión y la refracción, se pueden interpretar únicamente considerando a la luz constituida por rayos rectilíneos que proceden del foco y son el objeto de la óptica geométrica.

La óptica geométrica estudia las representaciones geométricas de los cambios de dirección que experimentan los rayos luminosos en los fenómenos de reflexión y refracción. Se basa en los siguientes puntos:

• La luz se propaga rectilíneamente en los medios homogéneos e isótropos.
• Los rayos luminosos son reversibles: el camino seguido por un rayo es independiente del sentido.
• Se cumplen las leyes de la reflexión y de la refracción.

Conceptos Básicos (Óptica Geométrica)

DIBUJO 2

• Sistema óptico: conjunto de superficies que separan los medios transparentes, homogéneos e isótropos de distinto índice de refracción.
• Imagen real de un punto objeto: es la imagen formada en un sistema óptico mediante la intersección de los rayos convergentes procedentes del objeto.
• Imagen virtual de un punto objeto: es la imagen formada mediante la intersección de los rayos divergentes (sus prolongaciones) después de atravesar el sistema óptico.
• Imagen de un objeto extenso: esta imagen está formada por las imágenes puntuales de cada uno de los puntos del objeto. Puede ser una imagen real o una imagen virtual según lo sean todas las imágenes puntuales.
• Sistema óptico estigmático: es el sistema óptico en el que a cada punto del objeto le corresponde un punto imagen. En la práctica, los sistemas ópticos no son estigmáticos y los rayos que provienen del punto objeto no forman un único punto imagen después de atravesar el sistema.

Convenio de Signos

Para aplicar el convenio de signos, nos centramos en el sistema óptico más sencillo, el dioptrio. Un dioptrio es el sistema formado por una superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción. Puede ser plano o esférico (curvo). Supongamos un dioptrio esférico de centro C y radio de curvatura r, que separa dos medios de índice de refracción n1 y n2.

DIBUJO 3

Si el punto A emite un rayo luminoso que alcanza la superficie esférica y se refracta, cortará al eje del dioptrio en A2. En el dibujo, el eje del dioptrio es el eje de simetría de la superficie esférica (en nuestro caso el eje x). O es el punto/vértice del dioptrio, S1 es la distancia objeto y S2 es la distancia imagen.

Por convenio, se establece que:

• En la figura, la luz incide de izquierda a derecha.
• El origen de coordenadas 0 es el nodo del dioptrio y el eje OX es el eje óptico.
• Las distancias son + para los puntos a la derecha de O y – para los puntos a la izquierda.
• Las distancias son + por encima del eje del dioptrio y negativas por debajo de él.
• Los ángulos de incidencia, reflexión y refracción son positivos si, para que el rayo coincida con la normal a la superficie por el camino más corto, ha de girar en sentido horario, y negativo en caso contrario.
• Los ángulos formados por los rayos o por la normal con el eje óptico son + si, para hacerlos coincidir con el eje óptico por el camino más corto, han de girar en sentido anti-horario.

Dioptrio Esférico

Veamos cómo se forma la imagen en un dioptrio esférico convexo, suponiendo que se cumple la aproximación paraxial (la aproximación paraxial considera que los rayos de luz marchan muy poco separados del eje principal, del eje del dioptrio) o, lo que es lo mismo, que la distancia objeto es mucho mayor que el tamaño del objeto.

Lo primero que tenemos que definir son los focos del dioptrio:

• Si sobre el dioptrio convexo incide un haz de rayos paralelos al eje (procedentes de un punto situado a una distancia F1=-inf), una vez refractados, todos estos rayos van a converger en el punto F2 (foco imagen), siendo la distancia OF2 la distancia focal imagen.

DIBUJO 4

• Si consideramos el punto F1, tal que los rayos procedentes de él, salgan del dioptrio paralelos al eje (es decir, con S2=+inf), dicho punto se llama foco objeto. La distancia F1O recibe el nombre de distancia focal objeto.

Ahora vamos a formar la imagen de un objeto lineal (Flecha A1-B1) al eje del dioptrio, del que conocemos las posiciones de sus focos F1 y F2, el centro de curvatura que es C. Y además, el tamaño del objeto, la distancia A1-B1, es pequeña en comparación con la distancia B1-O, con lo que se puede aplicar la aproximación paraxial.

DIBUJO 5

Para hallar la imagen de la flecha basta con trazar 2 de los 3 rayos siguientes desde A1:

• El rayo paralelo que sale por el foco imagen F2.
• El rayo focal que pasando por F1 sale paralelo al eje.
• El rayo radial que pasa por el centro de curvatura y que no se desvía porque es paralelo a la normal del dioptrio.

La imagen obtenida es real, invertida y menor. Si el objeto lo situamos entre el foco objeto y el foco del dioptrio, entonces,

DIBUJO 6

La imagen es virtual, derecha y mayor.

Etiquetas: dioptrio, espectro de absorción, espectro de emisión, espectroscopía, imagen real, óptica geométrica, Reflexion, Refraccion