Una línea espectral es una línea oscura o brillante en un espectro electromagnético uniforme y continuo. Las líneas espectrales son el resultado de la interacción entre un sistema cuántico (generalmente átomos , pero a veces también moléculas o núcleos atómicos) y la radiación electromagnética .
La línea espectral es un fenómeno que permaneció insospechado hasta los primeros estudios realizados con prismas sobre la descomposición de la luz. La primera observación de una línea espectral es la de la línea de emisión de sodio , realizada por Thomas Melvill en 1752. Con un prisma, observa la luz de las sales calentadas por una llama y descubre una línea intensa, amarilla.
El descubrimiento de las líneas de absorción que datan del XIX ° siglo , en 1802 , cuando William Hyde Wollaston en su investigación sobre los prismas, rayas negras observa en el espectro de la luz normalmente descompone de forma continua. Estas líneas tienen la particularidad de no cambiar de posición sea cual sea el prisma y su material. Joseph von Fraunhofer utiliza esta observación para desarrollar una forma de medir longitudes de onda tomando estas líneas como referencia. Gustav Robert Kirchhoff desarrolla así un sistema de referencias, utilizando las líneas más visibles del espectro solar y numerándolas. Estas líneas de referencia se utilizan luego para calibrar instrumentos de medición y espectroscopía.
Si bien Fraunhofer mide la longitud de onda de algunas de las líneas espectrales, es Anders Jonas Ångström quien determina las longitudes de onda de casi mil líneas de absorción utilizando rejillas de difracción en 1869, reemplazando al sistema de líneas Fraunhofer y la numeración de Kirchhoff hasta 1890.
Primero llamado análisis espectral, el estudio de las líneas y longitudes de onda de un espectro se convirtió gradualmente en “espectroscopía” en la década de 1880.
En un sistema cuántico, la energía no puede tomar valores arbitrarios: solo son posibles ciertos niveles de energía muy precisos. Decimos que la energía del sistema está cuantificada. Por lo tanto, los cambios de estado también corresponden a valores de energía muy precisos que marcan la diferencia de energía entre el nivel final y el nivel original.
Si la energía del sistema disminuye en una cantidad Δ E , se emitirá un cuanto de radiación electromagnética, llamado fotón , a la frecuencia ν dada por la relación de Planck-Einstein : Δ E = hν donde h es la constante de Planck . Por el contrario, si el sistema absorbe un fotón de frecuencia ν , su energía aumenta en una cantidad hν . A medida que se cuantifica la energía del sistema, también se cuantifica la frecuencia de los fotones emitidos o absorbidos por el sistema. Esto explica por qué el espectro de un sistema cuántico se compone de un conjunto de líneas discretas en lugar de un espectro continuo donde todas las frecuencias están presentes en cantidades variables.
Un gas caliente se enfría emitiendo fotones; por tanto, el espectro observado consiste en un conjunto de líneas claras sobre un fondo oscuro. Luego hablamos de líneas de emisión (ejemplo al lado). Por el contrario, si el gas está frío pero iluminado por una fuente continua, el gas absorbe fotones y el espectro está formado por un conjunto de líneas oscuras sobre un fondo luminoso: hablamos entonces de líneas de absorción .
Las líneas de absorción y emisión son altamente específicas para cada sustancia y se pueden usar para identificar fácilmente la composición química de cualquier medio capaz de pasar la luz (generalmente gas). También dependen de las condiciones físicas del gas, por lo que son muy utilizados para determinar la composición química de estrellas y otros cuerpos celestes que no pueden ser analizados por otros medios, así como sus estados físicos.
Los mecanismos distintos de la interacción átomo-fotón pueden producir líneas espectrales. Dependiendo de la interacción física exacta (con moléculas, partículas individuales, etc.), la frecuencia de los fotones involucrados cambia considerablemente y se pueden observar líneas en todo el espectro electromagnético: desde ondas de radio hasta rayos gamma .
En la práctica, las líneas no tienen una frecuencia perfectamente determinada, sino que se distribuyen en una banda de frecuencias. Hay muchas razones para esta expansión:
Las lámparas de descarga producen líneas de emisión del gas utilizado.