Naturaleza y Propiedades de la Radiación Electromagnética: Teoría y Aplicaciones en Espectroscopia

Naturaleza y Propiedades de la Radiación Electromagnética

Teoría Ondulatoria

Cualquier carga eléctrica en movimiento induce la aparición de un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí. La corriente eléctrica es, por tanto, un movimiento de cargas que es capaz de producir campos eléctricos y magnéticos. Ambos campos tienen la misma carga que los genera y son capaces de propagarse a través de cualquier medio homogéneo (H₂O). Se propaga en forma de trenes de onda transversales, es decir, perpendiculares a la carga que los genera, y se desplazan a una velocidad dependiente del medio a través del cual se mueven.

Radiación electromagnética: Campos eléctricos y magnéticos que se propagan en forma de trenes de onda transversal. Estas radiaciones electromagnéticas presentan:

• Campo eléctrico: Es una onda sinusoidal colocada en el plano formado por la dirección de propagación de la onda electromagnética y la dirección de movimiento de la carga que lo ha originado.
• Campo magnético: Se coloca en el plano perpendicular al campo eléctrico estando en igualdad de fases.

Ambos campos se relacionan según la ecuación E = B * c (velocidad de radiación electromagnética). La mayoría de las aplicaciones se deben al campo eléctrico, por lo que consideramos las radiaciones electromagnéticas formadas solo por el campo eléctrico. También consideramos que la radiación está polarizada, es decir, que el campo eléctrico vibra solo en un plano. Las radiaciones electromagnéticas se originan por cargas eléctricas en movimiento, pero también pueden proceder de gases ionizados o por el calentamiento de cuerpos sólidos a temperaturas próximas a la incandescencia (bombillas).

Parámetros de las Radiaciones Electromagnéticas

Las radiaciones electromagnéticas se caracterizan por una serie de parámetros:

• Fase: Cada uno de los puntos que componen la onda elemental. Es la posición que ocuparía la carga eléctrica en su posición armónica.
• Elongación: Distancia entre la dirección de propagación y cada uno de los puntos denominados fase.
• Amplitud: Elongación máxima.
• Longitud de onda (λ): Distancia tomada en la dirección de propagación del rayo luminoso que existe entre dos puntos consecutivos que se encuentran en igual fase.
• Periodo (T): Tiempo transcurrido en una oscilación completa, medido en segundos.
• Frecuencia (ν): Número de longitudes de onda completas por unidad de tiempo que atraviesan la unidad de superficie de un plano colocado perpendicularmente. Se expresa en Hz.
• Número de onda (ν̃): Inverso de la longitud de onda (1/λ), se expresa en cm^-1.

Relación entre parámetros: ν = c/λ = c*ν̃

Energía de radiación: Es mayor cuanto mayor es la frecuencia, o menor la λ. E = h*ν = h*c/λ

Niveles de Energía de los Átomos y Moléculas

Las técnicas espectroscópicas estudian la materia a través de las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia. Estas interacciones pueden ser transmisión, dispersión o absorción. Las unidades elementales que componen la materia, ya sean átomos, iones o moléculas, poseen un número ilimitado de niveles de energía discretos. La absorción de la radiación se produce cuando la energía de los fotones absorbidos coincide exactamente con la diferencia de energía (hν = ΔE) entre dos niveles. Estas diferencias de energías son características de cada especie, así, puede emplearse esta propiedad para estudiar la composición de una muestra.

Niveles Atómicos de Energía

Los espectros son sencillos, ya que tienen pocos estados energéticos. Se denomina excitación al proceso electrónico en el que uno o varios electrones (e^-) del átomo promocionan a niveles más altos cuando absorbe radiación. Los átomos pueden absorber radiación de dos regiones del espectro electromagnético:

• UV-Visible: Transiciones solo de los e^- más externos o e^- de enlace.
• Rayos X (más energéticos): Interaccionan con los e^- más próximos a los núcleos.

Niveles Moleculares de Energía

La energía interna de las moléculas viene determinada por varios componentes diferentes:

E = E_traslacional + E_electrónica + E_vibracional + E_rotacional

• E_traslacional: No está cuantizada. Energía de la molécula debida al movimiento de traslación.
• E_electrónica: Está cuantizada. Energía electrónica de la molécula debida a la disposición de los e^- dentro de ella.
• E_vibracional: Está cuantizada. Energía de la molécula relacionada con las diferentes vibraciones atómicas.
• E_rotacional: Está cuantizada. Energía asociada con la rotación de la molécula alrededor de su centro de gravedad.

ΔE_rotación < ΔE_vibración < ΔE_electrónica

Para que se produzca una absorción de radiación, la energía del fotón excitante debe igualar a la diferencia de energía entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de la especie absorbente. Dependiendo de la λ, pueden darse diferentes tipos de transiciones:

• Radiación IR: Transiciones entre los distintos niveles vibratorios del estado fundamental (menos energética).
• Radiación Visible: Transiciones de e^- desde el nivel electrónico fundamental hacia cualquier nivel vibracional del nivel electrónico excitado de menor energía.
• Radiación UV: Transiciones entre el nivel electrónico fundamental y el excitado de mayor energía.

Reglas de Selección

Las reglas de selección permiten generalizar las transiciones que son posibles o no.

• Transiciones rotacionales: Solo pueden tener lugar entre niveles rotacionales adyacentes. ΔJ = ±1
• Transiciones vibracionales: Deben ir acompañadas de transiciones rotacionales simultáneas. Δv = ±1, ΔJ = ±1. Δv puede presentar valores de ±2 y ±3, pero son mucho menos probables.
• Transiciones electrónicas: Acompañadas de transiciones vibracionales y rotacionales, pero esto no es imprescindible. Generalmente: Δn = ±1; Δv = ±1; ΔJ = ±1