Espectrómetro
- Para usos acústicos de los espectrógrafos de ondas sonoras, ver más abajo.
El espectrómetro, espectrofotómetro o espectrógrafo es un aparato capaz de analizar el espectro de frecuencias característico de un movimiento ondulatorio. Se aplica a diferentes instrumentos que operan sobre un amplio campo de longitudes de onda.
Un espectrómetro óptico o espectroscopio es un instrumento que sirve para medir las propiedades de la luz en una determinada porción del espectro electromagnético. La variable que se mide generalmente es la intensidad luminosa, pero se puede medir también, por ejemplo, el estado de polarización electromagnética. La variable independiente suele ser la longitud de onda de la luz, generalmente expresada en submúltiplos del metro, aunque algunas veces pueda ser expresada en cualquier unidad directamente proporcional a la energía del fotón, como la frecuencia o los electrón-voltios que mantienen una relación inversa con la longitud de onda. Se utilizan espectrómetros en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades.
En general, debido a las diferentes técnicas necesarias para medir distintas porciones del espectro, un instrumento concreto solo operará sobre una pequeña porción de este campo total. El analizador de espectro es un dispositivo electrónico muy parecido por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, microondas y radiofrecuencia).
Esta herramienta se puede usar para ver los espectros de emisión generados por los elementos al absorber o emitir fotones energéticos. Cabe resaltar que cada elemento tiene un espectro particular, y que dependiendo de su estructura química algunos reaccionan más rápido que otros. Por esta razón, la cantidad de energía necesaria para realizar un espectro varía. En 1920, el científico Niels Bohr escribió sus postulados con base en la descarga energética que le dio a un átomo de hidrógeno, dando la idea para que un espectrómetro fuera construido.
Tipos
editarLos tipos van a depender de su uso.
Espectrómetro de masa
editarEl espectrómetro de masas es un instrumento analítico que se utiliza para determinar la cantidad y tipo de las masas moleculares, o la relatividad de los isótopos y la composición química de las muestras. Su principio de funcionamiento de basa en medir la relación masa a carga eléctrica y la abundancia de iones en la fase gaseosa.[1]
En un procedimiento típico de un espectrómetro de masa, una muestra, que puede ser sólida, líquida o gaseosa, se ioniza, por ejemplo, bombardeándola con un haz de electrones. Esto puede hacer que algunas de las moléculas de la muestra se rompan en fragmentos cargados positivamente o simplemente se carguen positivamente sin fragmentarse. Luego, estos iones (fragmentos) se separan según su relación masa-carga, por ejemplo acelerándolos y sometiéndolos a un campo eléctrico o magnético: los iones con la misma relación masa-carga sufrirán la misma cantidad de deflexión. [2] Los iones se detectan mediante un mecanismo capaz de detectar partículas cargadas, como un multiplicador de electrones. Los resultados se muestran como espectros de la intensidad de la señal de los iones detectados en función de la relación masa-carga. Los átomos o moléculas de la muestra se pueden identificar correlacionando masas conocidas (por ejemplo, una molécula completa) con las masas identificadas o mediante un patrón de fragmentación característico.
Se caracterizan por poseer un medio para introducir las sustancias que se requiera analizar, un mecanismo para ionizar las sustancias, un acelerador que dirige los iones hacia el instrumento de medida, y un mecanismo que separe los iones analizados y registre el resultado (que por lo general son registrados eléctricamente en forma de gráficas).
Espectrómetro de tiempo de vuelo
editarEl espectro energético de las partículas de masa conocida también puede medirse determinando el tiempo de vuelo entre dos detectores (y, por tanto, la velocidad) en un espectrómetro de tiempo de vuelo. Alternativamente, si se conoce la velocidad, se pueden determinar las masas en un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo.
Espectrómetro magnético
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Cuando una partícula con carga eléctrica (carga q, masa m) entra en un campo magnético constante B con un ángulo recto, es deflectada hacia una trayectoria circular de radio r, a causa de la fuerza de Lorentz. El momento p de la partícula se obtiene a partir de la relación
- ,
donde m y v son la masa y velocidad de la partícula. El principio del foco del espectrómetro más antiguo y más simple, el espectrómetro semicircular,[3] inventado por J. K. Danisz, se muestra a la izquierda. Un campo magnético constante se encuentra aplicado en forma perpendicular a la hoja. Las partículas cargadas con momento p que pasan por la ranura son deflectadas en trayectorias circulares de radio r = p/qB. Se observa que todas ellas colisionan con la línea horizontal en casi el mismo punto, el foco; allí debe colocarse un contador de partículas. Variando B, ello permite medir el espectro de energía de las partículas alfa en un espectrómetro de partículas alfa, de partículas beta en un espectrómetro de partículas beta,[4] de las partículas (o sea iones rápidos) en un espectrómetro de partículas, o para medir el contenido relativo de varias masas en un espectrómetro de masas.
Desde la época de Danysz, se han diseñado numerosos tipos de espectrómetros más complicados que el del tipo semicircular.[4]
Espectrómetro óptico
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El espectrómetro óptico se emplea para medir las propiedades de luz de en una porción del espectro electromagnético. Generalmente la variable que se mide es la intensidad de la luz pero también se podría medir el estado de polarización. En óptica, el espectrómetro separa la luz que le llega con respecto a la longitud de onda y registra el espectro en un detector. Este aparato ha sustituido al espectroscopio en algunas aplicaciones científicas.
Espectrómetros ópticos de absorción
editarLos espectrómetros ópticos (a menudo simplemente denominados "espectrómetros"), en particular, muestran la intensidad de la luz en función de la longitud de onda o frecuencia. Las diferentes longitudes de onda de la luz son separadas mediante refracción en un prisma o mediante difracción mediante un rejilla de difracción. La espectroscopía ultravioleta–visible es un ejemplo.
Estos espectrómetros utilizan el fenómeno de dispersión óptica. La luz de una fuente puede consistir de un espectro continuo, un espectro de emisión (líneas brillantes), o un espectro de absorción (líneas oscuras). Debido a que cada elemento deja su firma espectral en el patrón de líneas que se observa, un análisis espectral puede mostrar la composición de los objetos que se analiza.[5]
Espectrómetros ópticos de emisión
editarLos espectrómetros ópticos de emisión atómica (a menudo denominados espectrómetros mediante descraga de chispa), se utiliza para evaluar metales para determinar la composición química con muy alta precisión. Se aplica una chispa a través de un alto voltaje en la superficie que vaporiza las partículas en un plasma. A continuación, las partículas y los iones emiten una radiación que se mide mediante detectores (tubos fotomultiplicadores) a diferentes longitudes de onda características.
Véase también
editarReferencias
editar- ↑ «mass spectrometer». IUPAC Compendium of Chemical Terminology. 2009. ISBN 978-0-9678550-9-7. S2CID 99611182. doi:10.1351/goldbook.M03732. Archivado desde el original el 8 de octubre de 2018. Consultado el 15 de junio de 2015.
- ↑ Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-2-9.
- ↑ Jan Kazimierz Danysz, Le Radium 9, 1 (1912); 10, 4 (1913)
- ↑ a b K. Siegbahn, Alpha-, Beta- and Gamma-Ray Spectroscopy, North-Holland Publishing Co. Amsterdam (1966)
- ↑ OpenStax, Astronomy. OpenStax. 13 de octubre de 2016. <http://cnx.org/content/col11992/latest/>
Bibliografía
editar- J. F. James and R. S. Sternberg (1969), The Design of Optical Spectrometers (Chapman and Hall Ltd)
- James, John (2007), Spectrograph Design Fundamentals (Cambridge University Press) ISBN 0-521-86463-1
- Browning, John (1882), How to work with the spectroscope : a manual of practical manipulation with spectroscopes of all kinds
- Palmer, Christopher, Diffraction Grating Handbook, 6a edition, Newport Corporation (2005).
Enlaces externos
editar- Artículo sobre espectrómetros en Espectrometría .com Publicado bajo licencia GFDL.
- Espectroscopia Astronómica
- Web sobre maquinaria industrial, y equipos de laboratorio
- Web sobre espectrómetros ópticos de fibra óptica
- Construcción de un espectrómetro (en inglés)
Datos: Q188463
Multimedia: Spectrometers / Q188463
