Experimentos cuánticos I. Curso 2011

Transcripción

1 Experimentos cuánticos I. Curso 2011 Laboratorio 1: Absorción en Yodo gaseoso: transiciones electrónicas (entre niveles vibracionales) en moléculas diatómicas homonucleares.

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3 Regiones del espectro EM en la escala de los procesos cuánticos

4 Regiones del espectro EM en la escala de los procesos cuánticos Region Frequency Range (f) / Hz Wavelength Range (l) / m Sources Uses Radio waves < 10 9 > 10-1 Sparks or alternating current cause a radio antennae to oscillate the atoms within it to the correct frequency Radio, television, mobile phones, magnetic resonance imaging Microwaves Atoms or molecules are oscillated within klystron and magnetron tubes Cooking, long distance communication, radar, terrain mapping Infrared Oscillation of atoms or molecules due to the absorption of heat energy Heating and drying, night vision cameras, remote controls, satellite remote sensing Visible 7.5 x x 10-7 Oscillation due to heat energy or electron 4.3 x x 10-7 transitions within an atom What the typical eye and film can see Ultraviolet x 10-7 Electron transitions within an atom Photochemicals, photoelectric effects, hardening casts in medicine X-rays Electron transitions or braking Gamma Rays > < Nuclear transitions Medicine, crystallography, astrophysics, remote sensing Nuclear research, geophysics, mineral exploration.

5 Regiones del espectro EM en la escala de los procesos cuánticos Region Frequency Range (f) / Hz Wavelength Range (l) / m Sources Uses Radio waves < 10 9 > 10-1 Sparks or alternating current cause a radio antennae to oscillate the atoms within it to the correct frequency Radio, television, mobile phones, magnetic resonance imaging Microwaves Atoms or molecules are oscillated within klystron and magnetron tubes Cooking, long distance communication, radar, terrain mapping Infrared Oscillation of atoms or molecules due to the absorption of heat energy Heating and drying, night vision cameras, remote controls, satellite remote sensing Visible 7.5 x x 10-7 Oscillation due to heat energy or electron 4.3 x x 10-7 transitions within an atom What the typical eye and film can see Ultraviolet x 10-7 Electron transitions within an atom Photochemicals, photoelectric effects, hardening casts in medicine X-rays Electron transitions or braking Gamma Rays > < Nuclear transitions Medicine, crystallography, astrophysics, remote sensing Nuclear research, geophysics, mineral exploration.

6 Espectroscopia infrarroja Para que un modo vibracional en una molécula sea activa al IR, debe estar asociada con cambios en el dipolo permanente. Las frecuencias resonantes pueden estar en una primera aproximación relacionadas con la fuerza del enlace, y la masa de los átomosa cada lado del mismo. Así, la frecuencia de las vibraciones pueden ser asociadas con un tipo particular de enlace. Las moléculas diatómicas simples tienen solamente un enlace, el cual se puede estirar. Moléculas más complejas pueden tener muchos enlaces, y las vibraciones pueden ser conjugadas, llevando a absorciones en el infrarrojo a frecuencias características que pueden relacionarse a grupos químicos. scissoring estiramiento simétrico wagging rocking estiramiento asimétrico twisting Los átomos en un grupo CH 2, encontrado comúnmente en compuestos orgánicos pueden vibrar de seis formas distintas, estiramientos simétricos y asimétricos, flexiones simétricas y asimétricas en el plano (scissoring y rocking, respectivamente), y flexiones simétricas y asimétricas fuera del plano (wagging y twisting, respectivamente).

7 Modelos vibracionales m 1 m 2

8 Modelos vibracionales

9 Modelos vibracionales OSCILADOR ARMONICO SIMPLE - Ignora las repulsiones tipo Coulomb -No tiene en cuenta la ruptura de los enlaces OSCILADOR ARMONICO SIMPLE -Para los niveles mas bajos no mejora el modelo anterior - E decrece para valores altos de frecuencia - Aparecen sobretonos

10 El espectro UV-vis m 10 3 m 200 La zona de longitudes de onda que se registra en un espectro UV-Vis es entre 200 y 800 nm. Violeta: nm Indigo: nm Azul: nm Verde: nm Amarillo: nm Naranja: nm Rojo: nm

11 Transiciones electrónicas en moléculas diátomicas: absorción visible en I2 Transiciones electrónicas entre estados vibracionales para los estados electrónicos fundamental y excitado del I 2. E=E elec +E vibr +E rot 1 er estado electrónico excitado Estado electrónico fundamental

12 Transiciones electrónicas en moléculas diátomicas: absorción visible en I2 Órden de magnitud de las transiciones E=E elec +E vibr +E rot Transición vibracional : cm -1 (INFRA-ROJO) Transición electrónica (~500 nm): 2 x 10 4 cm -1 (VISIBLE) N ~ e -E/kT Distr. Boltzman (N = nro. de moléculas con energía E) N T kt (300K)= 225 cm -1 Energía

13 Estados electrónicos en moléculas diatómicas Orbitales moleculares en H 2 + El caso de la molécula de H 2 : Energía potencial molecular Estados excitados anti-ligante Se minimiza la repulsión coulombiana, enlace covalente, a r 0 (dist. internuclear de equilibrio) ligante Aproximación de Born-Openheimer: núcleos fijos. Niveles electrónicos: átomos separados y molécula diatómica.

14 Estados electrónicos en moléculas diatómicas El caso de la molécula de H 2 : E p = E elec (cinética y potencial) + E n (potencial Coulombiana nuclear) Energía potencial molecular Estados excitados anti-ligante ligante Aproximación de Born-Openheimer: núcleos fijos.

15 Estados electrónicos en moléculas diatómicas El caso de la molécula de H 2 : E p = E elec (cinética y potencial) + E n (potencial Coulombiana nuclear) Probabilidad de la transición

16 Estados electrónicos en moléculas diatómicas El caso de la molécula de H 2 : E p = E elec (cinética y potencial) + E n (potencial Coulombiana nuclear) Probabilidad de la transición Molécula de I 2 :

17 Transiciones electrónicas en moléculas diátomicas: absorción visible en I2 Resultados esperados: 9000 E = E elec + E vibr + E rot 8000 Intensidad transmitida /λ [cm -1 ] Resultado del experimento (visible) G(cm -1 ) + Cte ν" Energía de los mínimos de intensidad transmitida

18 Transiciones electrónicas en moléculas diátomicas: absorción visible en I2 Resistencia de calentam. Arreglo experimental: Monocromador Lentes Tubo de Vidrio con I 2 policristalino Lamp. Halog. Amplif. Unid. Escan. Entrada Salida Lámpara Hg y patrones Cámara CCD o Fototubo Esquema del equipo. Espectrómetro (dispersor) Lámpara halógena Fibra óptica Comando de la red PC