RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD EXPERIMENTAL DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA U.A. QUÍMICA ANALÍTICA CATEDRA: QUÍMICA ANALÍTICA II RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA HOMERO PEREZ RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Radiación Electromagnética, que es un tipo de energía que toma varias formas, de las cuales las más fácilmente reconocibles son la luz y el calor radiante. Sus manifestaciones más difícilmente reconocibles incluyen los rayos gamma y los rayos X, así como las radiaciones ultravioleta, de microondas y de radiofrecuencia. 1

2 PROPIEDADES GENERALES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Modelo clásico de onda sinusoidal Parámetros Longitud de onda Frecuencia Velocidad Amplitud no necesita un medio de apoyo para transmitirse y, por tanto, se propaga fácilmente a través del vacío. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA 2

3 RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Características de la onda electromagnética Amplitud (A): Desplazamiento máximo de un punto respecto de la posición de equilibrio (punto en el que la onda pasa de positiva a negativa y viceversa) Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos análogos consecutivos. Se mide en metros (m). λ = c / f f = c / λ Frecuencia (f): Número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz). Período (T): Tiempo invertido en efectuar un ciclo o vibración completa. T = 1 / f f = 1 / T Velocidad (v): Velocidad con que se propaga la onda. c = 3 x10 8 ms. v = λ x f 3

4 Efecto de la onda electromagnética en otros medios INTERFERENCIA O SUPERPOSICIÓN DE ONDA Establece que cuando n ondas EM que se diferencian en frecuencia, amplitud y ángulo de fase pasa al mismo tiempo por un punto del espacio, se obtiene un campo resultante. A1 < A2, ( 1-2) = -20 A1 > A2, ( 1-2) =

5 Un aspecto importante de la superposición consisteen que una onda compleja puede descomponerse en componentes simples por medio de una operación matemática denominada transformación de Fourier La propiedad de la interferencia juega un papel importante en los métodos instrumentales. DIFRACCIÓN DE LA REM MONOCROMÁTICA POR MEDIO DE RENDIJAS Rendija estrecha ( ) disminución de la intensidad de la banda respecto al centro. Rendija ancha (> ) disminución pronunciada de la intensidad de la banda respecto al centro. 5

6 El modelo de difracción de zonas claras y oscuras se logra cuando las ondas tengan diferencias e fases bien definidas y que permanezcan constantes con el tiempo: RADIACIÓN DIFRACTADA COHERENTE Condiciones para la coherencia: - Las dos fuentes de radiación tengan y idénticas. - Las relaciones de fases entre los dos haces permanezcan constantes con el tiempo. DIFRACCIÓN Cuando la luz pasa por un borde, se abre y llega a lugares que normalmente hubiesen estado en sombra (zona de penumbra) Sucede con todas las ondas (las de sonido, las del agua, etc) 6

7 DIFRACCIÓN La DIFRACCION es prueba de que la luz se comporta como ONDA Cuando un frente de onda plano pasa por una rendija, este se curva (difracta) transformándose en un frente de onda curvo En cambio las partículas, al pasar por una rendija, salen en un chorro delgado sin dispersarse. DIFRACCIÓN INTERFERENCIA Dos frentes de onda curvos se mezclan creando máximos y mínimos de intensidad 7

8 TRANSMISIÓN DE LA RADIACIÓN Experimentalmente se observa que la velocidad a la que se propaga la radiación a través de una sustancia transparente es menor que su velocidad en el vacío y depende de los tipos y concentraciones de es átomos, iones o moléculas del medio El índice de refracción de un medio es una medida de su interacción con la radiación y se define como i = c/v i La interacción implicada en la transmisión puede atribuirse a la polarización periódica de las especies atómicas y moleculares que constituyen el medio. En este contexto, la polarización significa una deformación transitoria de las nubes de electrones asociadas a los átomos o a las moléculas, causada por el campo electromagnético alternante de la radiación. La radiación a partir de partículas polarizadas debería emitirse en todas las direcciones de un medio. 8

9 Refracción 9

10 Refracción Ley Snell Refracción de la Luz En diferentes medios, la luz viaja a distintas velocidades. Esto hace que un rayo de luz se doble al pasar de un medio a otro -> Ley de Snell Aire Agua Rayos de luz de distintos colores se doblan en ángulos ligeramente diferentes. 10

11 Refracción: Descomposición en colores Al pasar luz blanca por un prisma, esta se refracta cuando entra y cuando sale, y como cada color lo hace con un ángulo distinto, estos se SEPARAN Este es el origen de los ARCO IRIS, y la clave para analizar la luz proveniente de las estrellas y saber de que están compuestas Los Arco Iris Los vemos siempre iguales? O no? En qué cambian? (Tamaño, posición, color, distancia, etc.) Refracción: El Arcoiris En un Arcoiris, las gotas de agua actúan como prismas Los Arcoiris siempre se ven en dirección opuesta al sol y sobre zonas donde aún llueve Según el ángulo desde donde observemos, las gotas se verán de distinto color. 11

12 Luz Blanca De qué está hecha la luz? Newton (1704) hizo pasar luz solar por un Prisma Fue el quien primero observó la descomposición en colores A esta descomposicion se le llamo espectro Partícula u onda? Newton dijo: partículas! La Luz: Onda y Partícula Einstein (1905) propone que la luz se comporta, en ocasiones, como onda y en otras como partícula Propuso la existencia de Fotones: Paquetes de energía 12

13 La Luz Los fotones tienen distintas frecuencias y longitudes de onda Fotones de distintas frecuencias tienen distintas energías Construimos el espectro de Radiación Electromagnética La luz visible es sólo un tipo de Radiación Electromágnética La Luz: Onda y Partícula EFECTO FOTOELECTRICO Al iluminar dos placas, los electrones se desprenden de una de ellas y producen una corriente en el circuito. Esta corriente depende de la frecuencia de la luz (su color) y no de su intensidad -> PARTÍCULAS 13

14 La Luz: Onda y Partícula Einstein además complementó acerca de la velocidad de la Luz No sólo viaja a una velocidad finita, sino que nada puede viajar más rápido que la luz REFLEXIÓN De la misma forma que las ondas de luz se reflejan en un espejo, las ondas electromagnéticas son reflejadas por cualquier medio conductivo como el metal o la superficie de la tierra 14

15 REFLEXIÓN La reflexión completa solo ocurre para un conductor teóricamente perfecto y el campo eléctrico es perpendicular al elemento reflejante. Cuando la superficie reflectora no es plana, sino curva, la curvatura de la onda reflejada es distinta de la onda incidente. Cuando el frente de onda incidente es curvo, y la superficie reflectora es plana, la curvatura del frente de la onda reflejada es igual a la del frente de la onda incidente. Reflexión en superficie áspera Esta superficie puede destruir la forma del frente de onda, al chocar el frente de onda se dispersa al azar en muchas direcciones, a esta condición se le denomina de reflexión difusa, mientras que a la reflexión de una superficie perfectamente lisa e llama reflexión especular (como de espejo). 15

16 Reflexión en superficie áspera 16

17 Absorción atómica Absorción molecular 17

18 EMISIÓN DE RADIACIÓN La radiación electromagnética se origina cuando las partículas excitadas (átomo, iones o moléculas) se relajan a niveles de menor energía cediendo su exceso de energía en forma de fotones. La excitación puede producirse por diversos medios, tales como: Bombardeo de electrones (rayos X) La exposición a chispas de corriente alterna o al calor de una llama (radiación ultravioleta) Irradiación con un haz de radiación electromagnética (radiación fluorescente, reacción química exotérmica) ESPECTRO DE EMISIÓN La radiación emitida por una fuente excitada se caracteriza adecuadamente por medio de un espectro de emisión. Este espectro toma la forma de una representación gráfica de la potencia relativa de la radiación emitida en función de la longitud de onda o de la frecuencia 18

19 ABSORCIÓN DE RADIACIÓN Cuando la radiación atraviesa una capa de un solido, un líquido o un gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente por absorción, un proceso en el que la energía electromagnética se transfiere a los átomos, iones o moléculas que componen la muestra. La absorción provoca que estas partículas pasen de su estado normal a temperatura ambiente, o estado fundamental, a uno o más estados excitados de energía superior. 19

20 ABSORCIÓN DE RADIACIÓN Absorción atómica Absorción molecular Absorción inducida por un campo magnético ABSORCIÓN ATÓMICA Absorción de frecuencias claramente definidas al paso de una radiación policromática UV o Visible a través de un medio de partículas monoatómicas, como mercurio o sodio gaseosos, producen la abosorción de sólo unas pocas frecuencias bien definidas 20

21 ABSORCIÓN MOLECULAR El espectro de absorción para moléculas poliatómicas es mas complejo ya que la energía asociada con las bandas de las moléculas está constituida por tres componentes: E=E electrónica +E vibracional +E rotacional ABSORCIÓN INDUCIDA POR UN CAMPO MAGNÉTICO Cuando los electrones de ciertos elementos se someten a un fuerte campo magnético, se observan niveles de energía cuantizados como consecuencia de las propiedades magnéticas de estas partículas elementales. (RMN-resonancia magnética nuclear, ESRresonancia de spin electrónico) 21

22 PROCESOS DE RELAJACIÓN El tiempo de vida media de un átomo o molécula excitada por absorción de radiación es breve debido a que experimenta varios procesos de relajación para llegar al estado fundamental. Relajación no radiativa supone perdida de energía en forma de energía cinética por colisiones en una serie de pasos pequeños. Aumento ligero de temperatura. Relajación fluorescente o fosforescente. Son importantes procesos de emisión donde las partículas excitadas por la absorción de r. em. vuelven a su estado fundamental emitiendo radiación. 22

23 MEDIDAS ESPECTROQUÍMICAS MEDIDAS ESPECTROQUÍMICAS Como se muestra en la tabla anterior, los métodos espectroquímicos se clasifican en cuatro categorías. Los cuatro requieren la medida de la potencia radiante, P. Métodos basados en la emisión, luminiscencia y dispersión La potencia de la radiación emitida por un analito tras la excitación es, en general, directamente proporcional a la concentración del analito Métodos basados en la absorción Requieren dos medidas de potencia: una antes de que el haz haya pasado a través del medio que contiene el analito (Po), y la otra, después (P). 23

24 TRANSMITANCIA ABSORBANCIA 24

25 INSTRUMENTACIÓN EN ESPECTROSCOPIA ÓPTICA IR, Visible y UV Los métodos ópticos espectroscópicos se basan en seis fenómenos: 1.-Absorción 2.-Fluorescencia 3.-Fosforescencia 4.-Dispersión 5.-Emisión 6.-Quimioluminiscencia En todos los casos la respuesta es proporcional a la concentración del analito. COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS OPTICOS 1. Fuente estable de energía radiante 2. Recipiente transparente para contener la muestra 3. Selector de longitud de onda 4. Detector de radiación 5. Tratamiento y lectura de la señal.(ej.) 25

26 COMPONENTES DEL ESPECTROFOTOMETRO Fuentes de radiación 1)Haz de radiación con potencia suficiente en el rango de longitud de onda de interés 2)Estable 3)Tipos: Fuentes continuas: emiten radiación cuya intensidad varia sólo de forma gradual en función de la longitud de onda. Fuentes de líneas: emiten un número limitado de bandas de radiación, con un intervalo muy reducido de longitud de onda. Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation): haces de radiación estrechos y muy intenso, altamente monocromático y muy coherente. 26

27 FUENTES DE RADIACIÓN FUENTES CONTINUAS Producen un amplio intervalo de longitudes de onda. Sólido incandescente (Globar, hilo de nicromio) (1-40μm). Lámpara de tunsgeno ( nm) Lámpara de cuarzo de tunsgeno y halógenos (QTH) ( nm) Alta temperatura (3500K) Lámpara de deuterio D2 o lámpara- arco de Hg/Xe ( nm) 27

28 FUENTES DE LÍNEAS Producen un número limitado de longitudes de onda Lámpara de cátodo hueco: Cátodo bombardeado con electrones Salto (sputtering) de átomos desde el cátodo Emisión de r.em. a partir de los átomos excitado del cátodo Lámpara de descarga sin electrodos SELECTORES DE LONGITUD DE ONDA Filtros Interferencia (UV,Vis,IR) Absorción (Vis) Absorben ciertas porciones del espectro mediante el uso de vidrios coloreados o colorantes suspendidos en gelatina inmovilizada entre platos de vidrio Monocromadores 28

29 MONOCROMADORES En muchos métodos espectroscópicos, es necesario o deseable poder variar, de forme continua y en un amplio intervalo, la longitud de onda de la radiación. Varían la longitud de onda de la radiación en un amplio rango mediante un proceso denominado scan o barrido Tipos Rejilla Prisma 29

30 MONOCROMADOR DE RED DE CZERNEY- TUNER MONOCROMADOR DE PRISMA DE BUNSEN 30