El arcoiris revelador de la espectroscopía

El comportamiento del espectro electromagnético nos da la clave para conocer la composición química de cuanto nos rodea, desde las estrellas hasta las pistas de un crimen.

Espectrómetro infrarrojo utilizado en laboratorios químicos.
(Foto GFDL de Ishikawa (photothèque CNEP,
vía Wikimedia Commons)

El espectáculo de un arco de colores en el cielo sigue siendo sobrecogedor incluso hoy, cuando sabemos cómo y por qué se produce. No es extraño que lo fuera aún más cuando era un misterio cuya primera explicación, hasta donde sabemos, propuso Aristóteles, para quien era el reflejo de la luz del sol en las nubes en un ángulo determinado, con lo que explicaba también por qué el arcoiris no se halla en un lugar concreto, sino que se ve en una dirección determinada. Cada observador ve su propio arcoiris.

Fue Isaac Newton quien, alrededor de 1670, determinó que el continuo de colores, que llamó "espectro", se debía a que la luz blanca del sol se descomponía mediante refracción, haciendo que sus distintas longitudes de onda se desviaran en ángulos distintos. Por tanto, los colores son luz de determinadas longitudes de onda en un continuo desde el violeta hasta el rojo.

En 1802, utilizando prismas de mucho mejor calidad que los que tenía Newton, gracias a los avances en la producción de vidrio, el químico británico William Hyde Wollaston descubrió que el espectro newtoniano del sol no era realmente continuo, sino que estaba interrumpido por una serie de líneas negras. Estas líneas fueron descubiertas independientemente, estudiadas por el fabricante de vidrio Josef Von Fraunhofer, que les dió el nombre con el que las conocemos actualmente y contó hasta 574.

Por supuesto, no sólo puede descomponerse la luz solar con un prisma, sino que cualquier fuente luminosa es susceptible de ser así tratada. En 1853, el físico sueco Anders Johan Angstrom descubrió que cuando se producía una chispa eléctrica, se encontraban presentes dos espectros sobreimpuestos, uno de ellos del metal del que estaba compuesto el electrodo y el otro del gas a través del cual pasaba la luz. A partir de sus experiencias, dedujo que un gas incandescente emite las mismas longitudes de onda que absorbe cuando está frío y se hace pasar luz a través de él.

Así, al calentar vapor de sodio, éste emite una determinada serie de longitudes de onda. Cuando la luz solar pasa por el vapor de sodio, su espectro exhibe líneas de Fraunhofer precisamente en esas longitudes de onda. Con estas observación, el físico alemán Gustav Kirchoff y Robert Bunsen demostraron la existencia de sodio en el sol mediante el espectroscopio que inventaron.

Kirchoff estableció las principales leyes de la espectroscopía: que un objeto sólido caliente produce luz con un espectro continuo, que un gas tenue caliente produce líneas espectrales en determinadas longitudes de onda según los niveles de energía de sus átomos y que un objeto sólido caliente rodeado de un gas tenue frío produce luz en un espectro casi continuo, con brechas en determinadas longitudes de onda.

Nacía así la disciplina dedicada a estudiar los materiales por medio de la observación del espectro luminoso, la espectroscopía. O espectrografía, cuando se utiliza una una placa fotográfica o un elemento similar.

Así, del mismo modo en que Kirchoff y Bunsen pudieron determinar que el Sol contiene sodio (por absorber las mismas longitudes de onda que una lámpara de sodio), podemos determinar previamente qué longitudes absorben distintos materiales. Cuando tenemos una muestra de composición desconocida, podemos analizar la luz que refleja o deja pasar para saber qué elementos contiene.

Hoy hay varios tipos de espectroscopía basados en el estudio ya sea de la absorción, emisión o dispersión de distintos tipos de energía por distintos materiales. La moderna espectroscopía no utiliza únicamente la luz visible, sino que puede emplear todo el espectro electromagnético, analizando la descomposición, por ejemplo, de la luz ultravioleta o infrarroja, los rayos X, e incluso el sonido o incluso la absorción y emisión de partículas. Hay alrededor de medio centenar de tipos de espectroscopía, todos derivados de los mismos principios.

Gracias a esta potente herramienta, podemos estudiar las estrellas del universo a nuestro alrededor para conocer su composición química, y ésta nos da la clave para saber su edad aproximada, pues tenemos un modelo bastante claro de cómo se desarrolla la vida de una estrella. Pero la espectroscopía nos puede decir mucho más. La temperatura de una estrella, su velocidad de rotación y la velocidad a la que se mueve con respecto a nosotros son factores que también afectan el espectro de su luz, y que la ciencia ha ido aprendiendo a interpretar.

Quizá las ciencias forenses sean uno de los mejores ejemplos de las muchas utilidades que tiene la espectroscopía. ¿Una firma es original o falsa? La tinta que la compone puede ser sometida a análisis espectroscópico para determinar su composición química. Lo mismo pasa con los pigmentos y lienzos de cuadros sospechosos de ser falsificaciones, que se somenten a estudio para determinar si contienen sustancias más modernas que la época a la que se atribuyen. Una moderna tinta de gel en un documento del siglo XII que debería tener una tinta de sales de hierro denuncia su falsedad casi a gritos.

Más allá de su uso obvio para determinar la composición de todo tipo de muestras, la espectroscopía está siendo investigada para su uso en áreas novedosas como la determinación del momento de la muerte en casos de asesinato, estudiando cómo se van alterando los huesos al paso del tiempo. Esto podría también ser una forma adicional de datación para muestras más antiguas, sirviendo a la paleontología, la paleoantropología y la historia.

Y si usted se ha sometido alguna vez a una resonancia magnética, quizá no sepa que su cuerpo ha sido sometido a uno de los más modernos tipos de espectroscopía en el que potentes electroimanes estimulan los núcleos de los átomos del cuerpo para producir un campo que puede ser detectado por sensores para formar una representación gráfica muy detallada de las zonas estudiadas. Un logro que nos muestra el largo camino que hemos andado desde que por primera vez intentamos explicar el asombroso arcoiris.

Los mitos del arcoiris Para los sumerios, un arcoiris indicaba que los dioses aprobaban una guerra en preparación, mientras que para los nórdicos era el puente que unía al mundo humano con Asgard, el mundo de los dioses. Para los hebreos era el símbolo de la promesa de Dios de no volver a aniquilar a la humanidad con una inundación, para los griegos era el modo de transporte de Iris, la mensajera de los dioses, y para los mayas Ixchel, la mujer-arcoiris era la diosa del amor. Pero quizá el más curioso arcoiris es el chino, al que sólo le atribuyen cinco colores y que era anuncio de la presencia de un dragón, y por tanto una gran bendición.