Espectrofotometría por absorción

Radiación electromagnética

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío y puede expresarse de muy distintas formas: luz, calor, rayos X, microondas.

Para su comprensión se partió de las ecuaciones de Maxwell, quien asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío, y su dirección de propagación.

Existen dos modelos que intentan explicar el comportamiento de estas radiaciones, el ondulatorio, que, no explica todos los aspectos de su comportamiento como son la absorción y emisión de radiaciones electromagnética de la materia y un segundo modelo, el corpuscular, considera el flujo de partículas discretas llamadas fotones, en este caso, solo se describirá el segundo.

Modelo Corpuscular: La radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

Donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.

Valor de la constante de Planck

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).

Fenomeno de absorción: La teoría cuántica indica que las partículas tienen un número limitado de energías discretas, por lo que la absorción de energía solo se producirá cuando le sean suministradas energías concretas, es decir, cuando se incida con una radiación de frecuencia adecuada. Cada sustancia absorbe una serie de frecuencias concretas, no va a absorber todas las frecuencias, no puede absorber todas las energías. Existen tres tipos de absorción:

Absorción atómica: La materia esta en forma atómica, para pasarla a forma atómica normalmente se le aplica temperatura (por encima de 2000ºC). Cuando la radiación incide sobre el átomo, se promocionan los electrones de la capa de valencia hacia niveles de mayor energía.

Absorción molecular: La energía asociada a la banda de una molécula tiene tres componentes: Energía electrónica, vibracional y rotacional, es decir, cada estado electrónico tiene asociado un estado vibracional y este a su vez un estado rotacional.

Los estado excitados tienen dos formas de volver a los niveles inferiores de energía:

♪ Mediante relajación no radiante. No emite radiación, la energía puesta en juego al pasar a un estado energético inferior, la trasforma en energía cinética que cede a otras moléculas mediante choques.

♪ Fluorescencia. Emite energía en forma de radiación fluorescente

Absorción inducida por un campo magnético: Los núcleos o los electrones se someten a un intenso campo magnético lo que origina un cambio de spin, que provoca la creación de niveles adicionales de energía.

Este tipo de absorción va a dar lugar a dos tipos de técnicas: La RMN (resonancia magnética nuclear) que utiliza ondas de radio y la resonancia de spin electrónico que usa ondas microondas.

Espectro electromagnético

El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones electromagnéricas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética de ese objeto.
El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.

Rango del espectro: El espectro cubre la energía de ondas electromagnéticas que tienen longitudes de onda diferentes. Las frecuencias de 30 Hz y se han descubierto frecuencias tan altas como 2.9 * 1027 Hz a partir de fuentes astrofísicas. La energía electromagnética en una longitud de onda particular λ (en el vacío) tiene una frecuencia asociada f y una energía fotónica E. Así, el espectro electromagnético puede expresarse en términos de cualquiera de estas tres variables, que están relacionadas mediante ecuaciones. De este modo, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y energía alta; las ondas de frecuencia baja tienen una longitud de onda larga y energía baja. La radiación electromagnética se clasifica por la longitud de onda: ondas de radio, microondas, infrarroja y región visible, que percibimos como luz, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma. El comportamiento de la radiación electromagnética depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y las frecuencias inferiores tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación electromagnética interacciona con átomos y moléculas, su comportamiento también depende de la cantidad de energía que transporta. La radiación electromagnética puede dividirse en octavas (como las ondas sonoras). La espectroscopia puede descubrir una región más amplia del espectro que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio puede leer longitudes de onda desde 2 nm a 2500 nm. Con estos aparatos se obtiene información sobre las propiedades físicas de objetos, gases.

Bandas del espectro electromagnético
Radiofrecuencia: Con longitudes de onda en los límites de cientos de metros a un milímetro. Se usan para la transmisión de datos, a través de la modulación. La televisión, los teléfonos móviles, las resonancias magnéticas, o las redes inalámbricas son algunos usos de este tipo de ondas.
Microondas: Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para calentar la comida. La radiación de microondas de baja intensidad se utiliza en Wi-Fi.

Rayos T: Es una región del espectro entre el infrarrojo lejano y las microondas. Se busca aplicarlos en la guerra, donde podrían usarse para incapacitan los equipos electrónicos del contrario
Radiación infrarroja: Cubre el rango desde aproximadamente los 300 GHz (1 mm) hasta los 400 THz (750 nm). Puede ser dividida en tres partes:
* Infrarrojo lejano, desde 300 GHz (1 mm) hasta 30 THz (10 μm). La parte inferior de este rango también puede llamarse microondas. Esta radiación es absorbida por los llamados modos rotatorios en las moléculas en fase gaseosa, mediante movimientos moleculares en los líquidos, y mediante fotones en los sólidos.
* Infrarrojo medio, desde 30 a 120 THz (10 a 2.5 μm). Este rango es llamado, a veces, región de huella digital, ya que el espectro de absorción del infrarrojo medio de cada compuesto es muy específico.
*Infrarrojo cercano, desde 120 a 400 THz (2500 a 750 nm). Los procesos físicos que son relevantes para este rango son similares a los de la luz visible.
Radiación visible: Este es el rango en que las personas, podemos observar y percibir escenas. La radiación electromagnética con una longitud de onda entre los 400 nm y 700 nm es detectado por el ojo humano y percibida como luz visible. A otras longitudes de onda, como el infrarrojo cercano (más largo de 700 nm) y al ultravioleta (más corto que 400 nm) también se les llama luz.
Luz ultravioleta: Su longitud de onda es más corta que el extremo violeta del espectro visible.
Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos, haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o ionizándolas, lo que cambia su comportamiento.

Rayos X: Los rayos X duros tienen longitudes de onda más cortas que los rayos X suaves. Se usan generalmente para ver a través de algunos objetos, así como para la física de alta energía y la astronomía. Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace útiles en medicina e industria.
Rayos gamma Son los fotones más energéticos, y no se conoce el límite más bajo de su longitud de onda.
No hay ningún límite exactamente definido entre las bandas del espectro electromagnético. Algunos tipos de radiación tienen una mezcla de las propiedades de radiaciones que se encuentran en las dos regiones del espectro. Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiación infrarroja en que puede resonar algunos enlaces químicos

Absorción de la luz

La ley de Beer-Lambert, es una relación empírica que relaciona la absorción de luz con las propiedades del material atravesado.

Ecuaciones

Esto se puede expresar de distintas maneras:

Dónde:

• A es la absorbancia (o absorbencia)
• I₀ es la intensidad de la luz incidente
• I₁ es la intensidad de la luz una vez ha atravesado el medio
• l es la distancia que la luz atraviesa por el cuerpo
• c es la concentración de sustancia absorbente en el medio
• α es el coeficiente de absorción o la absorbancia molar de la sustancia
• λ es la longitud de onda del haz de luz
• k es el coeficiente de extinción

La ley explica que hay una relación exponencial entre la transmisión de luz a través de una sustancia y la concentración de la sustancia, así como también entre la transmisión y la longitud del cuerpo que la luz atraviesa. Si conocemos l y α, la concentración de la sustancia puede ser deducida a partir de la cantidad de luz transmitida. Las unidades de c y α dependen del modo en que se exprese la concentración de la sustancia absorbente. Si la sustancia es líquida, se suele expresar como una fracción molar. Las unidades de α son la inversa de la longitud. En el caso de los gases, c puede ser expresada como densidad, en cuyo caso α es una sección representativa de la absorción y tiene las unidades en longitud al cuadrado. Si la concentración de c está expresada en moles por volumen, α es la absorbencia molar normalmente dada en mol cm^-2. El valor del coeficiente de absorción α varía según los materiales absorbentes y con la longitud de onda para cada material en particular. Se suele determinar experimentalmente. La ley tiende a no ser válida para concentraciones muy elevadas, especialmente si el material dispersa mucho la luz. La relación de la ley entre concentración y absorción de luz está basada en el uso de espectroscopia para identificar sustancias.

La absorción es un proceso muy ligado al color. Son los colores que mezclados forman la luz blanca. Su distribución espectral aproximada es:

Tipo de radiación	Longitudes de onda (nm)
Violeta	380-436
Azul	436-495
Verde	495-566
Amarillo	566-589
Naranja	589-627
Rojo	627-770

Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las que determinan el color que percibimos. Si la refleja toda es blanca y si las absorbe todas es negro. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las demás componentes de la luz blanca. Si iluminamos el mismo objeto con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe esta componente y no refleja ninguna. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.

Interacción de la radiación con la materia

Las partículas cargadas como los electrones, los positrones, muones, protones, iones u otras, interaccionan directamente con la corteza electrónica de los átomos debido a la fuerza electromagnética.

Los rayos gamma interaccionan con los átomos de la materia con tres mecanismos distintos.

1. Absorción fotoeléctrica: es una interacción en la que el fotón gamma incidente desaparece. En su lugar, se produce un fotoelectrón de una de las capas electrónicas del material absorbente con una energía cinética procedente de la energía del fotón incidente, menos la energía de ligadura del electrón en su capa original.
2. Efecto Compton: es una colisión elástica entre un electrón ligado y un fotón incidente, siendo la división de energía entre ambos dependiente del ángulo de dispersión.
3. Producción de pares: el proceso ocurre en el campo de un núcleo del material absorbente y corresponde a la creación de un par electrón - positrón en el punto en que desaparece el fotón gamma incidente. Debido a que el positrón es una forma de antimateria, una vez que su energía cinética se haga despreciable se combinará con un electrón del material absorbente, aniquilándose y produciendo un par de fotones.

Los neutrones interaccionan con los núcleos de la materia mediante los siguientes efectos:

1. Activación: es una interacción completamente inelástica de los neutrones con los núcleos, mediante la cual el neutrón es absorbido, produciendo un isótopo diferente. Es la base de la transmutación producida en los ADS's.
2. Fisión: mediante esta interacción los neutrones se unen a un núcleo pesado (como el uranio-235) excitándole de forma tal que provoca su inestabilidad y desintegración posterior en dos núcleos más ligeros y otras partículas. Es la base de los reactores nucleares de fisión.
3. Colisión inelástica: en esta interacción el neutrón colisiona con el núcleo cediendo una parte de su energía, con lo que el resultado es un neutrón y un núcleo excitado que normalmente emite radiaciones gamma, ionizantes, más tarde.

Bibliografía:

♪ http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/vida%20y%20tierra/radiacion%20y%20vida/index.htm

♪ http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_6.htm

♪ Apuntes de clase.

Física para la ciencia y tecnología, Paul A Tipler Volumen 2, Electricidad y magnetismo. Cuarta edición