Para algunas fuentes de luz, como las lámparas de descarga de gas y varios láseres, el espectro óptico exhibe líneas espectrales claramente definidas, es decir, Estas líneas están relacionadas con transiciones de átomos, iones o moléculas desde un estado de excitación a un nivel electrónico inferior. La energía del fotón hν = h c / λ se aproxima a la diferencia de energías de los niveles, lo que determina la longitud de onda óptica de la línea de emisión espectral.
A veces, se observan líneas de emisión discretas sobre un espectro continuo.
También sucede que un espectro óptico continuo exhibe baches discretos, que son causados por la absorción de la luz a ciertas longitudes de onda.Estas líneas de absorción también suelen estar relacionadas con transiciones electrónicas, esta vez de niveles de energía inferiores a superiores.Si el nivel inferior es el estado electrónico de tierra, se trata de una absorción en estado de tierra (GSA), en caso contrario, de una absorción en estado excitado (ESA).Estas líneas de absorción se han observado, por ejemplo, en la luz solar (líneas Fraunhofer, descubiertas por Joseph von Fraunhofer), y han permitido descubrir el helio antes de que se encontrara en la Tierra.Las líneas de absorción también pueden estudiarse en los laboratorios, por ejemplo, con fuentes de luz de banda ancha y espectrógrafos o con espectroscopia de absorción láser de barrido.
También se observan líneas de absorción y emisión similares con medios de estado sólido, como los cristales láser.Aquí, sin embargo, las características de absorción y emisión son a menudo sustancialmente más amplias debido a las interacciones de las especies absorbentes o emisoras con el material anfitrión.
Las líneas de absorción y emisión observadas suelen ser características de determinadas sustancias, por lo que pueden utilizarse como huellas espectrales, por ejemplo, para la detección de contaminantes ambientales en la atmósfera.También es posible medir concentraciones (o densidades numéricas) a través de su relación con el coeficiente de absorción, utilizando la ley de Beer-Lambert.
Hay una serie de líneas espectrales estándar que se utilizan con frecuencia como referencias de longitudes de onda, p. ej.Por ejemplo, para la caracterización de vidrios ópticos.
Ancho y forma de las líneas espectrales
Las líneas espectrales siempre presentan un ancho de línea finito, que puede tener diferentes orígenes:
- A altas presiones de gas, las colisiones son frecuentes.Esencialmente, los átomos emisores se ven frecuentemente perturbados por las colisiones durante su radiación, por lo que la fase óptica no puede evolucionar de forma continua durante tiempos prolongados.
- Hay desplazamientos Doppler debido al movimiento térmico de las partículas radiantes.Esto conduce al llamado ensanchamiento Doppler, cuya magnitud depende de la temperatura.Hay métodos de espectroscopia sin Doppler, que eliminan en gran medida el efecto del ensanchamiento Doppler.
- Incluso sin ningún movimiento, hay un ancho de línea natural, que está limitado por el tiempo de vida del estado superior (ensanchamiento de vida).
- Como se mencionó anteriormente, los átomos o iones emisores o absorbentes en los sólidos a menudo exhiben líneas de absorción y emisión ensanchadas debido a las interacciones con el material anfitrión.Por ejemplo, puede haber efectos Stark causados por los campos eléctricos.Si diferentes átomos o iones experimentan diferentes modificaciones de las características de la línea, el ensanchamiento resultante se llama ensanchamiento inhomogéneo.
Los valores más pequeños de ancho de línea -muy por debajo de 1 Hz- pueden lograrse con ciertas transiciones prohibidas, que pueden tener un ancho de línea natural muy pequeño, cuando también se suprimen otras contribuciones diversas al ancho de línea.Se han desarrollado métodos de espectroscopia ultraprecisa para tales mediciones.Los anchos de línea extremadamente pequeños también se explotan en los estándares de frecuencia óptica para los relojes ópticos.Aquí, la emisión de un láser se estabiliza en una línea espectral estrecha de tal manera que el ancho de línea del láser está incluso muy por debajo del ancho de la línea espectral.
La forma de la línea, es decir, La forma de la línea, es decir, la forma del espectro óptico, está a menudo relacionada con el mecanismo de ensanchamiento de la línea dominante.Por ejemplo, las líneas lorentzianas se observan a menudo cuando el ensanchamiento del tiempo de vida es dominante, mientras que el ensanchamiento Doppler conduce a formas de línea gaussianas.
La luz de banda bastante estrecha de ciertas líneas espectrales se considera a menudo como cuasi monocromática.
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Ver también: espectro óptico, longitud de onda, líneas espectrales estándar, líneas láser, lámparas espectrales, ancho de línea, ensanchamiento Doppler
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