Menu Contract Home Previous Up one level Next Downright Search Settings Top

9.1  Concepte d’espectroscòpia

|1⟩ Què és l’espectroscòpia? L’estudi de la interacció entre radiació electromagnètica i matèria.
|2⟩ Què és la radiació electromagnètica? Pot ser dues coses, ona i partícula.
|2.1⟩ Dualitat ona-partícula: ona i partícula.
La radiació electromagnètica experimenta l’anomenada dualitat ona-partícula, és a dir, que segons per a què és més fàcil d’entendre si es considera que és un fenomen ondulatori, mentre que per a altres coses és més convenient considerar-la un fenomen corpuscular.
|2.2⟩ Com a ona amb components elèctrics i magnètics.
Radiació electromagnètica (ona). La radiació electromagnètica és una forma d’energia (energia radiant) que es mou per l’espai com una ona. L’ona està composta per dos vectors perpendiculars: un camp elèctric i un camp magnètic .
Vegeu la figura 9.1.
commons.wikimediaincluded image
Figura 9.1: Esquema d’una ona electromagnètica. és el camp elèctric, el camp magnètic.
|2.2.1⟩ Quantifiquem una ona amb la seua freqüència i longitud d’ona.
Freqüència ( ) i longitud d’ona ( ). La freqüència d’una ona ( ) és el nombre d’oscil·lacions completes que fa per unitat de temps. La longitud d’ona ( ) és la longitud d’una oscil·lació completa, és a dir, la distància entre dues crestes (o dues valls) consecutives.
Els dos conceptes s’il·lustren en la figura 9.2. En el Sistema Internacional, les unitats de i són respectivament metre ( ) i hertz ( ).
commons.wikimediaincluded image commons.wikimediaincluded image
Figura 9.2: Longitud d’ona (a l’esquerra) i freqüència (a la dreta) d’una ona. En l’animació, una oscil·lació completa de l’ona coincideix amb una oscil·lació completa del pèndol, i com es fan 25 oscil·lacions completes en un minut, la freqüència serà  .
|2.2.2⟩ Es mou a la velocitat de la llum.
La velocitat de qualsevol ona de radiació electromagnètica es igual a la velocitat de la llum, . Si la longitud d’una oscil·lació completa és  (longitud d’ona) i l’ona fa  (freqüència) oscil·lacions completes per unitat de temps, és evident que el producte és la velocitat de l’ona. Per tant, per a la radiació electromagnètica s’ha de complir que
|2.2.3⟩ El nombre d’ona ( ) és l’invers de .
Nombre d’ona ( ). El nombre d’ona ( ) és l’invers de la longitud d’ona ( ):
Els espectroscopistes sovint utilitzen el nombre d’ona en lloc de la freqüència o la longitud d’ona. La relació entre aquestes tres magnituds és:
Fixeu-vos com la freqüència és proporcional al nombre d’ona.
En el Sistema Internacional, la unitat de  és el  , encara que en la pràctica s’utilitza sobretot el  .
Compte, que de vegades els espectroscopistes parlen de ‘freqüència’ en referir-se al nombre d’ona. Nosaltres també ho farem (al capdavall, són dues magnituds proporcionals entre si!).
|2.2.4⟩ L’espectre electromagnètic és el conjunt de totes les ones electromagnètics possibles.
Les principals regions o bandes espectrals de l’espectre electromagnètic es mostren en la figura 9.3. La regió visible correspon a allò que anomenem llum.
commons.wikimediaincluded image
Figura 9.3: A l’esquerra, les regions o bandes espectrals de tot l’espectre electromagnètic. A la dreta, regions visible (VIS), ultraviolada (UV) i infraroja (IR) de l’espectre.
|2.2.5⟩ Espectre: emissió o absorció de radiació.
Intensitat. La intensitat (o irradiància) de la radiació electromagnètica és l’energia que travessa una superfície per unitat d’àrea i per unitat de temps.
Espectre d’emissió o d’absorció. És la descomposició de la radiació electromagnètica que emet o absorbeix un objecte (molècula, dissolució, …) en funció de la freqüència o de la longitud d’ona.
Per exemple, la part visible de l’espectre d’emissió del Sol es pot obtindre mitjançant un prisma que descompon la llum solar en els seus colors constituents (figura 9.4).
commons.wikimediaincluded image
Figura 9.4: Descomposició de la llum solar amb un prisma.
|2.3⟩ Com a feix de fotons.
Fotó. Un fotó és una partícula sense massa que es mou a la velocitat de la llum i que té una energia de  , on  és la constant de Planck i  la freqüència del fotó.
Radiació electromagnètica (fotons). D’acord amb la dualitat ona-partícula, la radiació electromagnètica també pot comportar-se com si fos un feix de fotons.
|2.3.1⟩ Un fotó és com un ‘àtom’ de radiació.
La mínima quantitat que es pot tindre d’un element és un àtom d’eixe element. Anàlogament, la mínima quantitat que es pot tindre de radiació electromagnètica de freqüència és un fotó d’eixa freqüència.
|3⟩ Quina mena d’interacció? Emissió o absorció de fotons amb transicions entre estats.
Figura 9.5: Transicions entre estats: absorció o emissió d’un fotó (simbolitzat per ) amb freqüència .
La interacció entre radiació i matèria es fa mitjançant l’emissió o l’absorció de fotons, procés que va acompanyat de transicions entre dos estats d’una molècula (figura 9.5).
Durant un procés d’absorció, una molècula en un estat inicial d’energia absorbeix un fotó, cosa que causa la transició de la molècula a un estat final amb una energia superior a la inicial. La freqüència del fotó absorbit ha de ser igual a .
Durant un procés d’emissió, la molècula en l’estat inicial (amb energia ) emet un fotó i experimenta una transició a un estat final d’energia més baixa ( ). La freqüència del fotó emès també ha de ser igual a .
|4⟩ Quins estats? Rotacionals, vibracionals o electrònics.
|4.1⟩ La s’aproxima com .
Les transicions es produiran entre autoestats moleculars, és a dir, entre estats la funció d’ona dels quals ( ) és autofunció del hamiltonià molecular. Aquesta funció es pot aproximar com
(vegeu §7.3|3.7⟩), on la funció descriu la translació molecular, descriu la rotació molecular, la vibració molecular i és la funció d’ona electrònica de la molècula.
|4.2⟩ L’espectroscòpia de microones estudia la rotació molecular ( ).
Les transicions entre estats corresponents a la rotació d’una molècula (funció ) emeten o absorbeixen fotons amb freqüència de la regió de microones de l’espectre electromagnètic.
|4.3⟩ L’espectroscòpia infraroja estudia la vibració molecular ( ).
Les transicions entre estats vibracionals d’una molècula (funció ) emeten o absorbeixen fotons de la regió infraroja de l’espectre electromagnètic.
|4.4⟩ L’espectroscòpia ultraviolada-visible estudia les transicions electròniques ( ).
Els fotons emesos o absorbits per les transicions entre estats electrònics d’una molècula (funció ) corresponen a la regió ultraviolada i visible de l’espectre electromagnètic.
|5⟩ La IUPAC recomana una notació per a les transicions.
Notació IUPAC. Les diferents transicions entre els estats i s’escriuen posant primer l’estat d’energia més alta, al final el d’energia més baixa, i entremig una fletxa indicadora del tipus de transició. Per exemple si ,
Els estats d’energia més alta i més baixa també poden indicar-se, respectivament, per una prima i una doble prima. Per exemple,
Consulteu la bibliografia[26].
|6⟩ L’espectroscòpia dona dades d’estructura molecular.
Per exemple, l’espectroscòpia de microones permet de mesurar la longitud d’enllaç d’una molècula diatòmica.
|7⟩ L’espectroscòpia, eina bàsica en química analítica.
|7.1⟩ Espècies diferents tenen espectres diferents.
L’espectroscòpia és fonamental per a la química analítica, ja que permet d’identificar quines espècies estan presents en una barreja i en quina quantitat. Això és possible perquè dos espècies diferents tenen espectres d’absorció i d’emissió diferents, i, a més a més, la intensitat de la radiació electromagnètica absorbida o emesa és proporcional a la quantitat d’espècie present.
|7.2⟩ Podem fer una anàlisi química sense cap mostra!
És especialment interessant en astrofísica, ja que l’anàlisi de la llum emesa per galàxies, estels o planetes permet d’esbrinar la seva composició, encara que no tinguem cap mostra de l’objecte estudiat. Per exemple, l’element heli es va ‘trobar’ per primera vegada al Sol.