7.2: Fuentes de Radiación

Todas las formas de espectroscopia requieren una fuente de energía para colocar el analito en un estado excitado. En espectroscopía de absorción y dispersión esta energía es suministrada por fotones. La espectroscopia de emisión y fotoluminiscencia utiliza energía térmica, energía radiante (fotónica) o energía química para promover el analito a un estado excitado adecuado. En esta sección consideramos las fuentes de energía radiante.

Fuentes de Radiación Electromagnética

Una fuente de radiación electromagnética debe proporcionar una salida que sea intensa y estable en la región de interés. Las fuentes de radiación electromagnética se clasifican como fuentes continuas o lineales. La tabla\(\PageIndex{1}\) proporciona una lista de algunas fuentes comunes de radiación electromagnética.

Mesa\(\PageIndex{1}\). Fuentes comunes de radiación electromagnética.

fuente	región de longitud de onda	útil para...
Lámpara H 2 y D 2	fuente continua de 160—380 nm	absorción molecular
lámpara de tungsteno	fuente continua de 320—2400 nm	absorción molecular
Lámpara de arco Xe	fuente continua de 200—1000 nm	fluorescencia molecular
nernst glower	fuente continua de 0.4—20 µm	absorción molecular
globar	fuente continua de 1—40 µm	absorción molecular
alambre de nichrome	fuente continua de 0.75—20 µm	absorción molecular
lámpara de cátodo hueco	fuente de línea en UV/Vis	absorción atómica
Lámpara de vapor de Hg	fuente de línea en UV/Vis	fluorescencia molecular
láser	fuente de línea en UV/Vis/IR	absorción atómica y molecular, fluorescencia y dispersión

Las fuentes continuas emiten radiación en un amplio rango de longitudes de onda, con una variación relativamente suave en la intensidad (Figura\(\PageIndex{1}\)), y se utilizan para absorbancia molecular usando radiación UV/Vis e IR. Más detalles sobre estas fuentes se encuentran en los Capítulos 13 y 16, respectivamente.

Figura\(\PageIndex{1}\). Espectro que muestra la emisión de un LED verde, que proporciona emisión continua en un rango de longitud de onda de aproximadamente 530—640 nm.

Una fuente lineal, por otro lado, emite radiación a longitudes de onda discretas, con regiones amplias que no muestran líneas de emisión (Figura\(\PageIndex{2}\)), y se utilizan para absorción atómica, fluorescencia atómica y molecular, y espectroscopia Raman. Más detalles sobre las lámparas de cátodo hueco se incluyen en el Capítulo 9.

 

Figura\(\PageIndex{2}\). Espectro de emisión de una lámpara de cátodo hueco de Cu. Este espectro consta de siete líneas de emisión distintas (las dos primeras difieren solo 0.4 nm y no se resuelven a la escala mostrada en este espectro). Cada línea de emisión tiene un ancho de aproximadamente 0.01 nm a 1⁄2 de su intensidad máxima.

Fuentes láser

Una importante fuente de radiación lineal es un láser, que es un acrónimo de l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation. La emisión láser es monocromática con un ancho de banda estrecho de solo unos pocos micrómetros. Como sugiere el término amplificación, un láser proporciona una fuente de emisión de alta intensidad. La fuente de esta intensidad está incrustada en el término emisión estimulada, al que ahora dirigimos nuestra atención.

Cómo funciona un láser

Para entender cómo funciona un láser, debemos considerar cuatro ideas clave: bombeo, inversión poblacional, emisión estimulada y amplificación de luz.

Bombeo

La emisión no puede ocurrir a menos que primero poblemos niveles de energía más altos con electrones, lo que podemos lograr, por ejemplo, mediante la absorción de fotones, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). La emisión ocurre cuando un electrón en un estado de mayor energía se relaja de nuevo a un estado de energía más baja al emitir un fotón con una energía igual a la diferencia en la energía entre estos dos estados. El proceso de poblar los estados excitados con electrones se llama bombeo y se logra mediante el uso de una descarga eléctrica, pasando una corriente eléctrica a través del medio láser, o por absorción de fotones de alta energía. El objetivo del bombeo es crear una gran población de estados excitados.

Figura\(\PageIndex{3}\). Un esquema general que muestra la diferencia entre absorción (a la izquierda) y emisión (a la derecha).

Inversión poblacional

Normalmente la mayoría de las especies que estamos estudiando se encuentran en su estado electrónico básico con sólo un pequeño número de especies en estado electrónico excitado. Para que un láser logre una alta intensidad de emisión, es necesario crear una situación en la que haya más especies en el estado excitado que en el estado fundamental, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) donde la población no invertida tiene cuatro especies en el estado fundamental y dos especies en el estado excitado, y donde la población invertida tiene cuatro especies en estado excitado y dos especies en el estado basal.

Figura\(\PageIndex{4}\). Ilustración de (a) una población no invertida y (b) una población invertida. En la población no invertida hay cuatro electrones con energías de E ₁ y dos electrones con energías de E ₂; para la población invertida hay cuatro electrones con energías de E ₂ y dos electrones con energías de E ₁.

Emisión estimulada y amplificación de luz

La figura\(\PageIndex{3}\) muestra la emisión de un fotón tras la absorción de un fotón de igual energía. No se emite más de un fotón por cada fotón que se absorbe, con algunas especies en estado excitado relajándose hasta el estado fundamental a través de vías no radiativas. Esta emisión espontánea es un proceso aleatorio, lo que significa que el tiempo de emisión y la dirección en la que ocurre la emisión son aleatorios.

La emisión en un láser, como se representa en la Figura\(\PageIndex{5}\), es estimulada por un fotón con una energía igual a la de la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado fundamental. La interacción del fotón entrante con el estado excitado da como resultado la relajación inmediata del estado excitado al estado fundamental por la emisión de un fotón. El fotón original y el fotón emitido son coherentes, con energías idénticas, direcciones idénticas y fases idénticas. Debido a que se emiten dos fotones coherentes, la amplitud de la radiación emitida se duplica, como vemos en la Figura\(\PageIndex{5}\); esto es lo que entendemos por amplificación de luz.

Figura\(\PageIndex{5}\). En emisión estimulada, una foto con una energía equivalente a\(E_2 - E_1\) estimula la emisión de un fotón de igual energía. Los dos fotones son coherentes entre sí, produciendo una emisión con una amplitud que es el doble de la de los fotones individuales.

Sistemas Láser

Como sugieren las secciones anteriores, crear una inversión poblacional es el factor limitante en la generación de radiación a partir de un láser. El sistema de dos niveles en la Figura\(\PageIndex{5}\), que involucra un solo estado excitado y un solo estado básico, no puede crear una inversión poblacional porque cuando el estado fundamental y el estado excitado son iguales en población, la velocidad a la que se producen los estados excitados a través del bombeo es igual a la velocidad a la que excitado los estados se pierden a través de la emisión. Para lograr la emisión estimulada, los sistemas láser utilizan sistemas de tres o cuatro niveles, como se describe en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Figura\(\PageIndex{6}\). Ejemplos de (a) un sistema de tres niveles y (b) un sistema de cuatro niveles para generar emisión a partir de un láser.

En un sistema de tres niveles, el bombeo se utiliza para poblar los estados excitados en el nivel dos. A partir del nivel dos, una vía eficiente para la relajación no radiativa puebla el estado excitado en el nivel tres, el cual es suficientemente estable para permitir una inversión poblacional. En un sistema de cuatro niveles, la inversión poblacional se logra entre el nivel tres y el nivel cuatro.

Tipos de Láseres

Los láseres se clasifican por la naturaleza del medio láser: cristales de estado sólido, gases, colorantes y semiconductores. Los láseres de estado sólido utilizan un material cristalino, como el óxido de aluminio, que contiene trazas de un elemento, como el cromo o el neodimio, que sirve como medio láser real. Los láseres de gas utilizan átomos, iones o moléculas en fase gaseosa como medio de láser. El medio de láser en un láser de tinte es una solución de una molécula de colorante orgánico. Un láser de tinte típicamente es capaz de emitir luz en un amplio rango de longitudes de onda, pero es sintonizable a una longitud de onda específica dentro de ese rango. Finalmente, un láser semiconductor utiliza diodos emisores de luz modificados como medio láser.

Mesa\(\PageIndex{2}\). Ejemplos de Láseres.

categoría	medio láser	longitudes de onda
estado sólido	rubí (0.05% Cr (III) en Al 2 O 3)	694.3 nm
	Nd: YAG (ion de neodimio en granate de itrio y aluminio	1054 nm; 532 nm
gas	É/Ne	632.8 nm
	Ar ^+	514.5 nm, 488 nm
	N 2	337.1 nm
	CO 2	10.6 µm
tinte	rodamina	540—680 nm
	fluoresceína	530—560 nm
	cumarina	490—620 nm
semiconductor	nitruro de indio y galio	405 nm
	aluminio, galio, indio, fosfuro	635 nm