QUANTIFICACIÓ DE L'ENERGIA

La gran diferència entre els sistemes macroscòpics i els microscòpics consisteix que l'energia no pot ser qualsevol, sinó que està quantitzada. Aquesta quantització vindrà donada per la solució de l'equació Schrödinger ( postulats de la mecànica quàntica corresponent):

és la funció d'ona que descriu el nostre sistema físic, en la qual representem el nostre sistema físic com una funció d'ona, atès que en els sistemes microscòpics té lloc la dualitat ona-corpuscle de LOUIS DE BROGLIE :
Totes les partícules elementals manifesten un dualisme ona-corpuscle, portant una ona associada, amb una longitud d'ona asssociada per
E és l'energia del sistema físic estudiat. Si resolem l'equació Schödinger per un sistema molecular arribarem a la conclusió que en les nostres molècules podem definir tres estats moleculars.

1. Rotacional és l'energia que posseeixen les molècules degut a la rotació al voltant del seu centre de gravetat.



2. Vibracional és l'energia cinètica i potencial que posseixen les molècules degut al moviment de vibració. Els àtoms en una molècula poden considerar-se com masses de punts que es conserven juntes per mitjà d'enllaços per mitjà d'enllaços que actuen com molles.



3. Electrònica és l'energia que posseixen les molècules i els àtoms degut a l'energia potencial i cinètica del seus electrons. L'energia cinètica de l'electró és el resultat del seu moviment, i l'energia potencial es origen de la interacció entre l'electró amb el nucli i amb els altres electrons.

Els mètodes espectroscòpics es basen en l'absorció o emissió de radiació per la molècula mitjançant el pas d'un nivell quàntic baix a un altra superior (absorció), o inrevés (emissió).

La radiació electromagnètica

L'espectroscopia és l'estudi de la interacció de la llum amb els àtoms i les molècules. La llum o radiació electromagnètica pot considerar-se com corpuscular o com una ona. A continuació es mostra el diagrama d'una ona en què s'han marcat les característiques essencials de la mateixa.

= longitud d'ona: distància a la que es mou una ona durant un cicle. Unitat: m.
A= amplitud d'ona: l'alteració màxima respecte l'eix horitzontal. Unitat: m.
T= període : el temps necessari per un cicle complet. Unitats : segons.
= freqüència de l'oscil·lació: el nombre de cicles que es presenta en cada segon. Unitat (1/s o Hertz).
La relació entre la longitud d'ona i la freqüència per una ona de llum és :

La llum pot descriure's com una corrent de paquets d'energia o partícules que es desplacen a gran velocitat (c) , aquests paquets d'energia s'anomenen fotons. La freqüència de la teoria ondular es pot relacionar-se amb l'energia dels fotons mitjançant l'equació de Planck:

TRANSICIONS ENTRE ELS NIVELLS QUÀNTICS

L'energia dels àtoms i les molècules està quantificada (només existeixen determinats nivells d'energia permesos). Un espectre d'absorció és el resultat de què un àtom o molècula s'exciti a un nivell d'energia superior mitjançant l'absorció d'un quantum d'energia.

Energia de transició

Cada salt té lloc únicament a una freqüència determinada (concepte un xic relatiu), l'energia que donarà aquesta transició serà una radiació lumínica. Cada classe diferent d'àtom o molècula proporciona el seu propi espectre d'absorció característic. Segons quina radiació i enviem a la molècula tindrem una transició o altra, a continuació hi ha el diagrama de les diferents regions de l'espectre electromagnètic i quin tipus de transició hi té associada:

Suposem que tenim una molècula en el nivell electrònic A i en l'estat vibracional v=0 i en un estat rotacional qualsevol. Si es deixa que interaccioni amb una radiació poc energètica microones, amb una freqüència adequada podrà donar salts espectroscòpics a altres nivells de rotació, malgrat que no podrà passar a altres nivells de vibració o electrònics superiors, atès que l'energia de radiació no és suficientment gran, obtenint un espectre de rotació pura (R en la figura).

Si la radiació fos de la zona de l'infraroig, si que es podria saltar a un nivell de vibració superior, de v=0 a 1; però, evidentment aquesta rotació serà també suficientment energètica per provocar transicions de rotació, apareixen ambdues superposades en l'espectre de vibració-rotació; estan indicats a la figura com R-V. És impossible, doncs, en general, obtenir espectres de vibració pura.

El mateix succeirà en els electrònics, en els quals la radiació visible o ultravioleta excita també la vibració i la rotació (salts R-V-E de la figura). Evidentment, el nombre de transicions espectroscòpiques possibles és molt més gran en aquest darrer cas, per la qual cosa els espectres electrònics són molts més complexes que els altres, essent molt difícil o impossible resoldre completament l'estructura de fina de vibració i rotació. Fins i tot en la vibració, si la molècula és complexa i té mols àtoms, tampoc es pot resoldre l'estructura de rotació fina, per estar les corresponents ratlles molt juntes; s'obtenen a llavors bandes enlloc de ralles, la qual cosa és característica dels espectres moleculars, en contraposició als atòmics.

Visita guiada