¿De qué está hecha esa estrella?
Las estrellas están a años luz de distancia y, sin embargo, los astrónomos pueden determinar qué elementos contienen. ¿Cómo lo hacen sin viajar a la estrella y tomar una muestra?
Bueno, cada elemento de la tabla periódica tiene una huella digital de luz única que se puede leer desde la distancia. Este es su espectro de emisión de línea atómica . Para apreciar completamente cómo funciona esto, se necesitan algunos conocimientos previos.
Estructura atomica
Recuerde que un átomo tiene un núcleo con electrones que se encuentran en diferentes niveles saliendo del núcleo. Los niveles de energía más altos están más lejos del núcleo y los niveles de energía más bajos están más cerca.
Estos niveles en realidad tienen formas distintas que puede conocer más adelante, pero aquí usaremos la versión simplificada llamada modelo de Bohr. En este modelo, los electrones se mueven en anillos de mayor energía a medida que aumenta la distancia desde el núcleo.
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La luz tiene energía
Para comprender los espectros de líneas, también es importante comprender la luz. El nombre científico de la luz es radiación electromagnética , que incluye todas las longitudes de onda de la luz, no solo la luz visible. El espectro electromagnético incluye infrarrojos, ultravioleta, microondas, ondas de radio.
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Cada longitud de onda, o frecuencia, en el espectro electromagnético tiene una energía específica dada por la ecuación:
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Dónde:
- h es la constante de Planck, 6.626 x 10 -34 Js,
- λ es la longitud de onda
- ν es la frecuencia
Debido a que la luz puede tener estos paquetes discretos de energía, se puede considerar tanto una partícula como una onda. Una partícula de luz con una cantidad específica de energía se llama fotón . A medida que cambia la longitud de onda o frecuencia de un fotón, su energía cambia de acuerdo con la ecuación anterior.
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Los electrones absorben y emiten fotones
Bien, sabemos que se puede pensar en la luz como partículas con una energía específica y que los electrones se encuentran en niveles de energía bien definidos. Ahora podemos discutir cómo interactúan estos.
Cuando una partícula de luz con una cantidad de energía igual a la diferencia en los niveles de energía de los electrones golpea un átomo, el fotón desaparece y su electrón absorbe esa cantidad de energía para pasar al nivel superior. Decimos que este electrón está «excitado».
Sin embargo, los electrones no permanecen excitados para siempre. Al igual que una bola lanzada hacia arriba, los electrones volverán al estado de energía más bajo posible con el tiempo. Cuando el electrón vuelve a descender al nivel de energía más bajo, emite un fotón con una energía igual a la diferencia de niveles.
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Cambios de longitud de onda de fotones con diferencias de nivel de energía
Podemos ver que la energía del fotón cambia con la longitud de onda reordenando la ecuación dada arriba para:
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Esto nos muestra que la longitud de onda del fotón (que determina su color si es visible) que es emitido por un átomo cambiará dependiendo de la diferencia de energía entre los niveles de electrones.
También resulta que estas diferencias de energía para cada átomo son únicas y distintas. El núcleo de cada átomo en la tabla de períodos tiene un número diferente de protones que equilibran un número diferente de electrones. Esto da lugar a ligeras diferencias en los niveles de energía.
Debido a esto, tenemos una huella dactilar para cada átomo de la tabla periódica que consta de longitudes de onda de luz, o líneas de color para el espectro visible, emitidas por sus electrones excitados. Aunque a veces podemos ver los espectros, recuerde que habrá otras partes que no podemos ver pero que aún podemos detectar.
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Aplicación de la espectroscopia de emisión de línea
Debido a que cada átomo tiene una huella dactilar de luz distinta a través de sus espectros de emisión de línea, los científicos pueden usar esto para identificar los elementos presentes en las muestras tanto aquí en la tierra como lejos. Para hacer esto, es necesario tener electrones excitados que estén listos para emitir.
En el laboratorio, los científicos pueden crearlos en cualquier muestra agregando energía a la muestra. Normalmente, esto se hace mediante una llama o un plasma. Entonces se pueden leer los electrones emitidos y determinar los elementos presentes.
En estrellas lejanas, los elementos ya existen con electrones excitados y con solo leer las longitudes de onda de la luz que viaja desde la estrella, los científicos pueden determinar los elementos presentes en esa estrella.
Resumen de la lección
Cada elemento de la tabla periódica tiene una huella digital de luz única que se puede leer a distancia. Este es su espectro de emisión de línea atómica .
Los electrones existen en distintos niveles de energía en el átomo. Pueden subir de energía al absorber un fotón o bajar de energía al emitir un fotón . La longitud de onda del fotón emitido cambiará dependiendo de la diferencia de energía entre los niveles de electrones.
Debido a que los niveles de energía son únicos para cada elemento, las longitudes de onda emitidas de radiación electromagnética (luz) pueden usarse como una huella dactilar identificativa para ese elemento.
De esta forma, la espectroscopia de emisión de línea atómica se utiliza para identificar la composición química de muestras tanto en el laboratorio como en estrellas distantes.
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