Communicative suitability and vocal function

18.1- Introducción

Cuando la radiación electromagnética se propaga en el vacío las componentes de esa radiación en todas las frecuencias (longitudes de onda) tienen la misma velocidad “c”. No ocurre lo mismo cuando dicha propagación se produce en un medio material; en este caso, para cada longitud de onda existe una velocidad diferente (recordar también la relación entre el índice de refracción de una sustancia y la velocidad de propagación de la onda en ese medio). Esto es lo que origina el fenómeno de la dispersión.

Se entiende por dispersión de la luz o de cualquier radiación electromagnética a su “separación” en un espectro. Este fenómeno se debe a la relación de dependencia que existe entre el índice de refracción de cada sustancia y las longitudes de onda de la radiación. La dispersión de la luz puede producirse mediante dispositivos tales como prismas y redes de difracción.

Se ha hallado empíricamente que, si la temperatura y presión son constantes, para cada sustancia se cumple: 2 B ) (

λ

λ

Donde A y B son constantes características para cada sustancia.

Hasta acá se ha usado el término “dispersión” para referirse a un fenómeno observado en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia. Además, la “medida de la dispersión” del espectro visible es la diferencia angular entre las respectivas desviaciones que sufren los rayos de los colores extremos: rojo y violeta (Fig. 18.1b).

Algunos autores definen la “dispersión de una sustancia” como la magnitud que cuantifica el “ritmo” con que varía su índice de refracción “n” al variar la longitud de onda de la radiación que la atraviesa. En base a eso, para una radiación de longitud de onda determinada (λ), el valor de la dispersión

θ de una sustancia se calcula como

θ =

λ

λ

Fig.18. 2.- Variación del índice de refracción (n) con la longitud de onda (λ) para cada sustancia.

Fig. 18.1a.- Dispersión producida por un prisma. La banda de colores formada sobre la pantalla se denomina espectro.

Violeta Luz blanca δV Rojo δR Medida de la dispersión Dirección original

Fig. 18.1b.- Detalle de la desviación (δ) que sufren los rayos de distinto color.

La ecuación (18.1) nos indica que el índice de refracción (n) de todas las sustancias transparentes aumenta monótonamente al disminuir la longitud de onda. Por otra parte, si junto con lo dicho, se tiene en cuenta la ley de Snell, se explica por qué al pasar de un medio transparente a otro (de distinto índice de refracción) los rayos de luz violeta se desvían más que los verdes, y estos más que los rojos.

18.2- Tipos de espectros

Los espectros pueden ser clasificados de acuerdo con la naturaleza de su origen en: Espectros de emisión y Espectros de absorción. Por otra parte, de acuerdo con el aspecto que resulta de las longitudes de onda presentes en el mismo, se pueden clasificar en: continuos (si aparecen todas las longitudes de onda) y discontinuos (si sólo aparecen algunas). Estos últimos, a su vez, pueden ser “de líneas” o “de bandas”.

18.2.1- Espectros de emisión

En el capítulo “Radiación Térmica” se vio que todo cuerpo sólido calentado emite energía en forma de radiación electromagnética en la que se hallan presentes todas las longitudes de onda, aunque con distinta intensidad. Por ello, este espectro de emisión se dice que es continuo. Esta distribución de la energía radiada en función de la longitud de onda (o de la frecuencia) pudo ser explicada utilizando la teoría cuántica y sin tener en cuenta los detalles mismos del proceso de radiación ni la naturaleza del sólido que radia.

El fenómeno descripto allí (cuando se calienta un sólido hasta la incandescencia) es el resultado del comportamiento colectivo de un gran número de átomos que interactúan en lugar del comportamiento característico de átomos individuales de un elemento dado. Los líquidos presentan el mismo comportamiento cuando están incandescentes y generan, como los sólidos, espectros de emisión continuos. Otro tanto puede observarse en los gases, pero sólo si están a muy alta presión (es decir, con las moléculas muy juntas, como ocurre en los sólidos y líquidos). En el otro extremo, los átomos o moléculas de un gas enrarecido (= a baja presión) se encuentran tan separados unos de otros que las únicas interacciones entre ellos ocurren durante los choques fortuitos. En estas circunstancias se esperaría que cualquier radiación emitida sea característica de los átomos o moléculas individuales presentes. Esta presunción se ha comprobado experimentalmente. Cuando un gas o vapor atómico, a una presión ligeramente inferior a la atmosférica, se excita de la manera adecuada (p.ej. calentamiento o paso de una corriente eléctrica a través de él) emite un espectro de radiación constituido por un fondo oscuro con sólo algunas líneas luminosas de color característico, correspondientes a determinadas longitudes de onda. Por ello recibe el nombre de espectro de emisión discontinuo (en este caso, de líneas). Cada elemento da lugar a un espectro de emisión de líneas único cuando es excitado en fase gaseosa. La Figura 18.3(a) ejemplifica el caso del espectro de emisión del sodio (Na). Está constituido por unas pocas líneas en la zona visible, de las cuales se muestran las dos más notables: la línea más brillante D1 (589,6 nm) y, muy cerca de la anterior, la línea D2 (589,0 nm)

El espectro de un gas o vapor molecular excitado también es discontinuo, pero constituido por

bandas luminosas sobre fondo oscuro. Cuando la tecnología permitió construir instrumentos más

evolucionados, se descubrió que dichas bandas están formadas por muchas líneas muy próximas unas a otras.

18.3.2- Espectros de absorción

Cuando la luz blanca pasa a través de un gas dado a baja temperatura (no excitado) éste absorbe luz de las mismas longitudes de onda presentes en su propio espectro de emisión. Se obtiene así el llamado espectro de absorción que también es de líneas. El espectro resultante consiste en un fondo brillante, multicolor, sobre el cual aparecen líneas oscuras coincidentes con las líneas brillantes que aparecen en el espectro de emisión del mismo gas. Ver figura 18.3(b) para el caso del sodio.

Se observa que ambos espectros, el de absorción y el de emisión, son complementarios; esto se da para todos los elementos y compuestos.

Dicho en forma general, toda sustancia transparente interpuesta en el trayecto de la luz blanca absorbe, del espectro de esa luz, las mismas radiaciones (colores, longitudes de onda, frecuencias) que ella es capaz de emitir. (Recordar la Ley de Kirchhoff)

Los instrumentos diseñados para la observación visual de los espectros se llaman espectroscopios; aquéllos que los fotografían o grafican se llaman espectrógrafos.

La espectroscopía es así una herramienta muy útil para analizar la composición de una sustancia desconocida. Si, por ejemplo, en un espectro de emisión de una sustancia desconocida se ve una línea amarilla con λ = 589,6 nm ó 5896 Å (Angstrom), se comprueba que está presente el sodio (Na) pues dicha longitud de onda corresponde a una de las líneas del espectro de emisión de ese elemento de acuerdo con las tablas espectrales.

Cuando se observa el espectro de emisión obtenido al dispersar la luz blanca del sol, aparece una serie de líneas oscuras (líneas de Fraunhofer) debido a que la parte luminosa del sol, cuya radiación es casi exactamente la que predice la teoría para un cuerpo negro ideal calentado a 5800 K, está rodeada por una capa de gas “más frío” (mejor dicho, “menos caliente”) que absorbe luz de sólo determinadas longitudes de onda. El análisis de dicho espectro permite determinar la naturaleza de los elementos al estado atómico y gaseoso presentes en dicha capa.

– – – – – o 0 o – – – – – (a) Espectro de emisión del sodio y esquema del dispositivo para obtenerlo (b) Espectro de absorción del sodio y esquema del dispositivo para obtenerlo.

Fig. 18.3.- Las líneas oscuras en el espectro de absorción de un elemento corresponden a las