Química Física II - Espectroscopía: Fundamentos

La espectroscopía estudia la interacción de la radiación electromagnética con la materia, incluyendo procesos de absorción, emisión o dispersión en regiones del espectro como radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, entre otros. Se enfoca en la transferencia de energía entre la radiación electromagnética y átomos, moléculas o iones.

La espectroscopía es un método no destructivo que provee información sobre el sistema sin alterar su naturaleza química. Se utiliza para caracterizar niveles de energía, identificar moléculas y estudiar propiedades físicas.

La espectroscopía de alta resolución permite caracterizar niveles de energía y determinar la estructura molecular.

La espectroquímica utiliza datos espectroscópicos para identificar átomos, moléculas e iones. Es útil en química analítica cualitativa y cuantitativa.

La espectrofísica analiza las propiedades físicas del gas o plasma que emite o absorbe radiación.

La espectroscopía se basa en la relación entre los parámetros espectroscópicos experimentales y los parámetros moleculares, la relación de estos parámetros con la estructura molecular y los aspectos experimentales e instrumentales de cada rama de la espectroscopía.

La espectroscopía tiene aplicaciones en diversos campos, como química cuántica, química analítica, estructura molecular, cinética química, astrofísica, medio ambiente, industria, medicina, biología y química forense.

La radiación electromagnética tiene una naturaleza ondulatoria, compuesta por campos eléctrico y magnético que oscilan sinusoidalmente en el espacio y el tiempo en planos perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos crestas o valles consecutivos de la onda, y se relaciona con la frecuencia (ν) y la velocidad de propagación (c) por la ecuación: c = νλ.

La frecuencia (ν) es el número de oscilaciones o ciclos completos de la onda por unidad de tiempo, y se mide en Hertz (Hz).

El número de onda (ν̃) es el inverso de la longitud de onda, y se mide en unidades de cm-1.

La energía (E) de la radiación electromagnética está cuantificada, y se relaciona con la frecuencia (ν) y la constante de Planck (h) por la ecuación: E = hν.

El principio de superposición establece que al superponerse dos o más ondas en el mismo punto del espacio, la perturbación resultante es la suma vectorial de las perturbaciones individuales.

La interferencia constructiva ocurre cuando dos ondas se superponen en fase, con un desfase de 0°, 360° o múltiplos de 360°. La amplitud de la onda resultante es mayor que la de las ondas individuales.

La interferencia destructiva ocurre cuando dos ondas se superponen desfasadas 180°. La amplitud de la onda resultante es menor que la de al menos una de las ondas individuales.

La difracción de la radiación ocurre cuando un haz de radiación paralelo se desvía al pasar por una pequeña barrera o una apertura estrecha. Es una propiedad característica de los movimientos ondulatorios.

La difracción de la radiación es consecuencia de las interferencias entre las ondas difractadas, que crean un patrón de franjas luminosas y oscuras.

Dos fuentes de radiación son coherentes si tienen frecuencias idénticas y la relación de fase entre ellas se mantiene constante en el tiempo y en el espacio.

El índice de refracción es una medida de la velocidad de la luz en un medio, y se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el medio (v).

La dispersión es la variación del índice de refracción con la frecuencia o longitud de onda. La dispersión normal implica un incremento gradual del índice de refracción con la frecuencia, mientras que la dispersión anómala presenta zonas donde el índice de refracción varía bruscamente, asociado a absorción.

La refracción es el cambio abrupto en la dirección de un haz de luz al pasar de un medio a otro con diferente densidad. Se rige por la Ley de Snell: senθ1 / senθ2 = n2 / n1, donde θ1 y θ2 son los ángulos de incidencia y refracción, y n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios.

La reflexión es el cambio de dirección de un haz de luz que incide sobre una superficie. La intensidad de la luz reflejada depende del índice de refracción de los medios.

El scattering (dispersión) es la reemisión de la radiación en todas direcciones posibles respecto a la trayectoria original. La intensidad del scattering depende del tamaño de las partículas que provocan la dispersión: Mie, Rayleigh y Raman.

La luz polarizada linealmente es una radiación electromagnética donde el campo eléctrico/magnético oscila en un solo plano.

La ley de Malus establece que la intensidad de la luz polarizada transmitida a través de un polarizador perfecto es proporcional al cuadrado del coseno del ángulo entre la dirección de polarización de la luz incidente y la dirección de transmisión del polarizador.

La luz polarizada circularmente se compone de dos ondas polarizadas linealmente perpendiculares entre sí con un desfase de 90° o 270°. El vector del campo eléctrico resultante se mueve en un círculo.

La luz polarizada elípticamente se compone de dos ondas polarizadas linealmente perpendiculares entre sí con un desfase de 90° o 270° y con amplitudes distintas. El vector del campo eléctrico resultante se mueve en una elipse.

La energía radiante es la energía total transmitida, emitida o recibida como radiación en un periodo de tiempo definido.

La potencia radiante es la tasa de cambio de la energía radiante con el tiempo, y se mide en vatios (W).

La irradiancia es la potencia radiante por unidad de área, y se mide en W/m2.

La densidad de energía radiante es la energía radiante por unidad de volumen, y se mide en J/m3.

El cuerpo negro es un objeto ideal que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él, independientemente de la frecuencia o la dirección. Su espectro de emisión depende únicamente de su temperatura.

La ecuación de Planck describe la distribución de energía radiante por unidad de frecuencia en función de la temperatura. Explica el espectro de emisión de un cuerpo negro: ρ(ν,T) = (8πhν^3/c^3) * (1/(e^(hν/kT)-1))

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de un material cuando la luz incide sobre su superficie. La energía de los electrones emitidos depende de la frecuencia de la luz incidente.