Transcript El espectro electromagnético

Propiedades de la radiación electromagnética
El espectro electromagnético abarca un intervalo enorme de
longitudes de onda y de frecuencias (energías).
Propiedades de la radiación
electromagnética
• El modelo corpuscular de la luz (según el
cual está constituida por fotones) y el
modelo ondulatorio (según el cual consiste
en la propagación del campo
electromagnético) son incompatibles en
física clásica.
• Pero en física cuántica, ambos
comportamientos de la luz, que parecían
contradictorios, se pudieron integrar en un
modelo coherente.
• Esta integración impulsó el desarrollo de la
física cuántica, fue una hipótesis, planteada
por el físico francés de De Broglie (18921987) en su tesis doctoral de 1924.
• Dicha hipótesis atribuyó a toda partícula con
impulso, p, una onda asociada, cuya longitud
de onda es l = h/p (h es una constante
universal, llamada constante de Planck).
• (para una partícula de masa, m, y velocidad, v,
p=m·v)
• La física cuántica generalizó la hipótesis de
De Broglie, para considerar que toda
entidad física (las partículas y también los
fotones) tiene una naturaleza dual, de tal
forma que su comportamiento global
presenta dos aspectos complementarios:
ondulatorio y corpuscular.
• Dependiendo del experimento predomina
uno de estos dos aspectos.
Modelo corpuscular
• Los fotones, las entidades de masa nula que
forman la luz, tienen un comportamiento
corpuscular, por ejemplo, cuando colisiona
con otros fotón o, como ocurre en el efecto
fotoeléctrico, con partículas (electrones,
protones...).
Modelo ondulatorio
• Un haz luminoso (un haz de fotones)
manifiesta un comportamiento ondulatorio
(onda electromagnética) cuando, por
ejemplo, se difracta, se refleja, se refracta,
se dispersa, se polariza o produce
interferencias luminosas.
Modelo ondulatorio
– 2 campos, eléctrico y magnético, en fase, con oscilaciones
sinusoidales en ángulo recto uno respecto al otro y respecto
a propagación de la radiación
Fenómenos ondulatorios
– Componente magnética responsable de la
absorción de ondas de radiofrecuencia en
espectroscopía RMN.
– Componente eléctrica responsable de
fenómenos como transmisión, reflexión y
refracción.
Fenómenos corpusculares
– Efecto fotoeléctrico
– Absorción de la radiación
ESPECTROSCOPÍA
“Ciencia que trata de las distintas interacciones de
la radiación con la materia”
• RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
– Tipo de energía
– Varias formas: luz, calor radiante, radiación UV,
microondas, radiofrecuencia, rayos gamma y
rayos X.
– Se propaga a través del vacío
– 2 modelos para explicar la radiación
• Modelo ondulatorio o sinusoidal
• Modelo corpuscular
Propiedades ondulatorias
• Proceso por etapas en el que la radiación
interactúa con átomos, iones o moléculas,
deformando transitoriamente sus nubes
electrónicas (polarización). La energía
radiante no es absorbida, sólo se retiene
momenténeamente y luego se reemite sin
alteración.
La frecuencia no varía, pero la velocidad de la
propagación sí.
Si las partículas polarizadas son pequeñas, la
radiación se reemite en la misma dirección de la
trayectoria del haz original.
Descripción matemática de una
onda
y  Asent   
• Donde y es el campo eléctrico, A es la
amplitud o valor máximo de y, t es el
tiempo, φ es el ángulo de fase, ω=2πν
• Superposición de ondas: cuando dos o
más ondas atraviesan la misma región
del espacio, se produce un
desplazamiento igual a la suma de los
desplazamientos causados por las
ondas individuales.
• Interferencia constructiva máxima: se
da cuando la diferencia de fases entre
ondas (φ1 – φ2) = 0 grados, 360 grados
o un múltiplo entero de 360 grados.
• la onda resultante tendrá una
intensidad máxima cuando las dos
ondas estan totalmente en fase
• Interferencia destructiva máxima: se
producirá cuando (φ1 – φ2) = 180
grados, o 180 grados más un múltiplo
entero de 360 grados.
Fig. 5-6. Superposición de ondas sinusoidales para
formar una onda cuadrada; a) combinación de 3 ondas;
• La forma de onda cuadrada muy
utilizada en electrónica puede
describirse por la siguiente ecuación
1
1
1


y  A sen2t  sen6t  sen10t  ...  sen2nt 
3
5
n


• n toma valores de 3, 5, 7, 9, 11, 13 y
así sucesivamente.
• Una onda compleja puede
descomponerse en sus componentes
simples por medio de una operación
matemática llamada transformada de
Fourier
PARÁMETROS ONDULATORIOS
Amplitud (A): longitud vector eléctrico en el máximo
de onda
Período (p): tiempo en segundos necesario para el
paso sucesivo de máximos o mínimos por un
punto fijo en el espacio.
Frecuencia u: número de oscilaciones del campo
por segundo.
u= 1/p
Longitud de onda (l): distancia lineal entre dos
puntos equivalentes de ondas sucesivas (máximos
o mínimos sucesivos).
Velocidad de propagación (ui) (m/seg):
multiplicación de la frecuencia, en ciclos por
segundo, por la longitud de onda, en metros por
ciclo.
u i = u li
Número de onda (u) (cm-1): inverso de la longitud
de onda.
uku
Donde k es la constante de proporcionalidad,
depende del medio y es igual al inverso de la
velocidad.
Potencia (P): es la energía del haz que llega a una
superficie dada por segundo.
“Aunque estrictamente no es correcto, la potencia
e intensidad se usan a menudo como sinónimos”
“La frecuencia de un haz esta determinada por la
fuente y permanece invariable”
“La velocidad de la radiación y longitud de onda
dependen de o varían con el medio”
La velocidad de la radiación alcanza su valor
máximo en el vacío, donde es independiente de la
longitud de onda y se indica por una (c).
c = u l = 3 x 108 m/seg = 3 x 1010 cm/seg
“La propagación de la radiación disminuye por
interacción entre el campo electromagnético y
los electrones enlazantes de la materia
si la frecuencia no varía, la longitud de
onda disminuye cuando la radiación pasa del
vacío a otro medio.”
Propiedades mecánicocuánticas
• La radiación se trata como un flujo de
partículas discretas denominadas fotones o
cuantos en vez de considerarla como ondas
• El modelo corpuscular fue propuesto a partir
del descubrimiento del efecto fotoeléctrico
(siglo IXX).
• Cuando la radiación se absorbe o se
emite se produce una transferencia
permanente de energía al medio
absorbente o procedente del medio
emisor.
El efecto fotoeléctrico
E( fotoelectrón )  h  E( enlace)
eVo  h  
La energía del fotón incidente es igual a la energía
del fotoelectrón expulsado menos la energía
necesaria para extraer al fotoelectrón de la
superficie que se irradia.
Absorción
• Proceso en el que la energía
electromagnética se transfiere a los
átomos, iones o moléculas de una
substancia.
• La absorción hace que las partículas
pasen de su estado fundamental a uno
o varios estados excitados.
• La energía de los fotones excitadores
debe coincidir exactamente con la
diferencia de energías entre el estado
fundamental y uno de los estados
excitados.
• Un espectro está
influido por
variables como la
complejidad , el
estado físico, y el
entorno de las
especies
absorbentes.
Absorción molecular
• Produce espectros más complejos que
los atómicos porque el número de
estados de energía es mucho mayor.
Etotal = Eelectrónica + Evibracional + Erotacional
• Un espectro está
influido por
variables como la
complejidad , el
estado físico, y el
entorno de las
especies
absorbentes.
i 
1
e'i  Eo 
h
i=1, 2, 3,…,n
i 
1
ei  eo  i=1, 2, 3,…,m
h