Radiación Electromagnética y Cuántica

La espectroscopía es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia. Se centra en cómo los átomos, moléculas e iones absorben, emiten o dispersan ondas electromagnéticas (radio, microondas, infrarrojas, visibles, ultravioletas). En este proceso, la materia permanece químicamente inalterada.

G. Kirchhoff y R. Bunsen descubrieron la espectroscopia de emisión atómica, basada en el análisis de la luz emitida cuando se calientan gases y vapores con una llama. Este fue un punto de partida clave para el desarrollo de la espectroscopía moderna.

La mecánica cuántica, a principios del siglo XX, proporcionó las herramientas teóricas para comprender los procesos espectroscópicos. Científicos como Plank, Einstein, Rutherford, Bohr, de Broglie, Schrödinger, Hund, Mulliken, Pauling y Lennard-Jones contribuyeron al desarrollo de esta teoría, que es fundamental para la espectroscopía.

La espectroscopia es una ciencia experimental que permite obtener información sobre la estructura, composición y propiedades físicas y químicas de la materia. Es una técnica no destructiva, ya que no altera la naturaleza química de la muestra.

La espectroscopia tiene varios objetivos, incluyendo:

• Identificar los componentes de una muestra.
• Determinar las concentraciones de los componentes.
• Obtener información sobre la estructura molecular y atómica.
• Estudiar las propiedades dinámicas de las moléculas.
• Monitorear procesos químicos y físicos.

La espectroscopia de alta resolución permite obtener información muy detallada sobre los componentes de una muestra.

La espectroscopia es una herramienta versátil que se usa en una amplia gama de campos, incluyendo la química, la física, la biología, la medicina, la astronomía, etc.

La espectroscopia se basa en las interacciones entre la luz y la materia. Esta interacción puede ser analizada para obtener información sobre la composición y las propiedades físicas y químicas de la materia.

La densidad de energía radiante por unidad de frecuencia dentro de una cavidad a una temperatura T. Describe la cantidad de energía radiante por unidad de volumen y frecuencia dentro de la cavidad.

Es la frecuencia a la cual la densidad de energía radiante es máxima en una cavidad a una temperatura dada.

Es la longitud de onda asociada a la frecuencia de máxima intensidad (νmax) en la densidad de energía radiante.

Relación inversa entre la longitud de onda de máxima intensidad (λmax) y la temperatura absoluta de la cavidad (T). A mayor temperatura, menor longitud de onda de máxima intensidad.

La energía de los fotones emitidos por un cuerpo negro. Proviene de la idea cuántica de Planck, que establece que la energía se intercambia en paquetes discretos llamados cuantos.

Explica el efecto fotoeléctrico. Postula que la luz se comporta como un flujo de fotones con energía definida.

Un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética incidente independientemente de la frecuencia. Es un modelo ideal. En la práctica, no existe un cuerpo negro perfecto.

El proceso de conversión de energía entre la luz y las paredes del cuerpo negro se realiza de forma discreta, en paquetes de energía llamados cuantos.

La probabilidad de transición de una molécula a un estado excitado depende de la frecuencia de la radiación incidente y la frecuencia de transición de la molécula.

La probabilidad de absorción de energía es máxima cuando la frecuencia de la radiación incidente coincide con la frecuencia de transición de la molécula.

La probabilidad de transición oscila con una frecuencia determinada.

En el tratamiento semiclásico de la interacción radiación-materia, la probabilidad de transición de una molécula a un estado excitado está determinada por una expresión que involucra la frecuencia de la radiación incidente, la frecuencia de transición de la molécula y el momento dipolar de transición.

La probabilidad de transición es pequeña, pero la absorción de radiación puede ser significativa en una muestra macroscópica, tomando en cuenta que contiene un gran número de moléculas.

La probabilidad de transición de una molécula a un estado excitado es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.

La probabilidad de transición de una molécula a un estado excitado puede ser calculada utilizando la mecánica cuántica.

La probabilidad de transición depende del tiempo de exposición a la radiación.

Es la interacción entre un campo electromagnético y un átomo, donde se considera el campo como una onda clásica y el átomo como un sistema cuántico.

La transición de un átomo de hidrógeno a una frecuencia específica (ω).

La interacción de un átomo con un campo electromagnético, donde la interacción se representa a través de un operador de perturbación.

Un operador que describe la interacción entre el campo electromagnético y el momento dipolar del átomo. Se define como el producto escalar entre el campo eléctrico y el momento dipolar (𝜇) del átomo.

El momento dipolar eléctrico del átomo, que es una medida de la separación de carga positiva y negativa en el átomo. Se calcula como el producto de la carga electrónica y la distancia promedio del electrón al núcleo.

Escribir una función trigonométrica (coseno) en términos de funciones exponenciales, utilizando la identidad de Euler.

Calcular la probabilidad de transición utilizando la integral de la función de onda y la función de momento dipolar del átomo.

En equilibrio térmico, la velocidad de transición entre niveles de energía es igual en ambas direcciones, lo que implica poblaciones iguales. Sin embargo, Einstein propuso la emisión espontánea, un proceso independiente de la radiación, donde un sistema en un estado excitado regresa al estado fundamental, independientemente de la presencia de luz.

Se refiere a la probabilidad por unidad de tiempo de que un átomo o molécula en un estado excitado (m) emita un fotón y se desexcite a un estado de menor energía (n).

Describe la distribución de la población de diferentes niveles de energía en un sistema en equilibrio térmico. Establece que la población de un nivel de energía superior siempre será menor que la de un nivel de energía inferior.

La emisión espontánea no puede ser explicada por el tratamiento semiclásico de la interacción radiación-materia. Un sistema en un estado excitado permanecería indefinidamente en ese estado sin la presencia de radiación.

El tratamiento semiclásico de la espectroscopía solo puede describir procesos de absorción y emisión inducidos por la radiación, pero no puede explicar la emisión espontánea.

La ecuación hν = E2 - E1 describe la condición necesaria para que un átomo o molécula absorba o emita radiación electromagnética. La energía del fotón (hν) debe coincidir exactamente con la diferencia de energía entre dos niveles de energía del sistema (E2 - E1).

La interacción de la radiación electromagnética con la materia (átomos, moléculas) puede describirse mediante diferentes enfoques: clásico, semiclásico y cuántico. Cada enfoque proporciona una perspectiva distinta sobre la interacción y los mecanismos involucrados.

El modelo clásico de la interacción radiación-materia considera que la radiación electromagnética se comporta como una onda. La interacción se explica mediante el movimiento de los electrones dentro del material sujeto a la influencia del campo electromagnético.

La interacción radiación-materia puede ser tratada mediante un enfoque semiclásico, donde la radiación se considera como un campo electromagnético clásico, mientras que la materia se describe con la mecánica cuántica. Este enfoque permite explicar fenómenos como la emisión espontánea o inducida.

Son restricciones que determinan qué transiciones entre niveles de energía son posibles y cuáles no. Estas reglas se basan en la naturaleza de la interacción entre el sistema y la radiación, así como en la conservación de ciertas cantidades físicas, como la energía, el momento angular.

Reflejan la distribución de los niveles de energía dentro de un sistema (átomo, molécula), representados como una banda de energía. Cada región de energía se corresponde con un tipo particular de interacción con la radiación electromagnética y, por lo tanto, con una parte del espectro electromagnético.

La población de los niveles de energía está relacionada con la intensidad de la señal de absorción o emisión correspondiente. La probabilidad de una transición y la intensidad de la señal dependen de la diferencia de población entre los niveles de energía involucrados.