CAMBIO DE COLOR por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Como bien sabemos, la radiación láser tiene unas características muy singulares: monocromaticidad, linealidad, coherencia y brillo. Por otro lado, la espectroscopía en el rango UV-visible es una técnica muy apropiada para proporcionar información sobre los compuestos presentes en las disoluciones. La absorción de radiación ultravioleta o la emisión fluorescente puede ser útiles para apreciar la calidad e incluso el origen de un producto desde el aceite de oliva hasta un licor, pongamos por caso. Cualitativamente, por ejemplo, se observa que si se hace incidir una luz láser verde a través de un recipiente transparente que contenga aceite de oliva, emerge de otro color, debido a que la clorofila emite una radiación roja, con una anchura de banda muy estrecha, después de que ha absorbido la luz verde y decaído en el estado excitado a niveles inferiores, en lugar de reemitirla directamente, siendo el decaimiento no radiativo más rápido, hasta cinco órdenes de magnitud, que la emisión fluorescente. Un vaso de Coca Cola presenta el mismo efecto si se le hace incidir la radiación láser de un puntero normal y corriente. Si se le aplica horizontalmente a través de la pared lateral del vaso y miramos hacia abajo, desde encima del vaso, observaremos que el láser aparecerá de diferentes colores desde el naranja hasta rojo intenso, dependiendo de lo cerca que situemos el láser de la superficie del vaso, según evidencian Csaba Forró y col. en la publicación del que fue uno de los 17 problemas resueltos en el  International Physicists’ Tournament 2013, celebrado en Lausanne.

 

La explicación hay que encontrarla en el proceso de fluorescencia, que gráficamente se incluye en los famosos diagramas de Jablonski, según el cual, un fotón incidente con energía hnA excita a un electrón que está en el estado E0 y lo promociona al estado E1. Hay que recordar que los estados electrónicos incluyen también  los grados de libertad rotacionales y vibracionales de las moléculas que conforman la disolución. Una vez excitado el electrón, puede volver al estado inicial reemitiendo directamente un fotón de la misma energía  que el incidente que lo excitó. Pero, también puede decaer no radiativamente mediante el proceso que se denomina Conversión Interna (CI), al nivel de partida. Por supuesto que siempre es posible que vaya a parar a cualquiera de los niveles de vibración y rotación posibles y más probables. En este caso, el fotón que se emite será un fotón desplazado hacia el rango rojo del espectro (menor energía), por la pérdida de energía. La cuestión es que, la re-emisión directa acontece en una escala de tiempos mucho más grandes que los que corresponden a la Conversión Interna. Y esto es especialmente notorio en las disoluciones. Esto se traduce en que es muy improbable poder observar una re-emisión directa (recombinación directa) sin pérdida de energía.

 

La ley de Lambert modela la propagación de radiación a través de un medio. Es una ley exponencial en la que la intensidad de la radiación transmitida depende de la longitud de onda y de la profundidad de la penetración en la disolución. Eso quiere decir que, cuando hacemos incidir una radiación, no todas las frecuencias del espectro fluorescente decaerán de la misma forma después de haber atravesado la disolución y haber llegado a nuestro ojo. A distintas profundidades  se percibirán distintos colores. También se da la circunstancia de que el ojo humano percibe con distinta sensibilidad las diferentes longitudes de onda.

 

Si el experimento se efectúa con Coca Cola, hay que tener en cuenta que las burbujas dispersan la radiación láser y habrá que eliminarlas previamente, para que no incidan en el resultado. Para el espectro de fluorescencia se puede utilizar un láser de He-Ne verde de 543.5 nanometros. Podemos situar una fibra óptica perpendicularmente al haz incidente para transportar la emisión fluorescente al espectrómetro. Hay que suponer que el haz emitido es muy próximo a la superficie del líquido contenido en el vaso y despreciamos los efectos de la absorción. Hay que llevar cuidado con la manipulación y tomar las precauciones porque se trata de un láser de onda continua y cualquier descuido puede provocar daños oculares.

 

Podemos abordar el problema de identificar la molécula que produce la fluorescencia. Para ello tendríamos que analizar con un espectrómetro de masas e identificar los picos más significativos, haciendo uso de una base de datos on line, como ocurre con casi todos los espectrómetros de masas.  Para obtener el espectro de absorción del líquido empleado, se sitúa en una célula de cuarzo estándar y se introduce en un espectrómetro para registrar el espectro entre dos longitudes de onda significativas; por ejemplo  entre 500 y 800 nanometros. La fluorescencia se confirmará con la presencia de un pico a una longitud de onda mayor que la del láser incidente.