En mecánica cuántica , una banda de absorción es un rango de longitudes de onda , frecuencias o energías en el espectro electromagnético que son características de una transición particular del estado inicial al final de una sustancia.
Según la mecánica cuántica , los átomos y las moléculas solo pueden contener ciertas cantidades definidas de energía o existir en estados específicos . [1] Cuando dichos cuantos de radiación electromagnética son emitidos o absorbidos por un átomo o molécula, la energía de la radiación cambia el estado del átomo o molécula de un estado inicial a un estado final .
Cuando la radiación electromagnética es absorbida por un átomo o molécula, la energía de la radiación cambia el estado del átomo o molécula de un estado inicial a un estado final . El número de estados en un rango de energía específico es discreto para sistemas gaseosos o diluidos, con niveles de energía discretos . Los sistemas condensados , como los líquidos o sólidos, tienen una distribución de densidad de estados continua y a menudo poseen bandas de energía continuas . Para que una sustancia cambie su energía debe hacerlo en una serie de "pasos" mediante la absorción de un fotón . Este proceso de absorción puede mover una partícula, como un electrón, de un estado ocupado a un estado vacío o desocupado. También puede mover un sistema vibratorio o rotatorio completo, como una molécula, de un estado vibracional o rotacional a otro o puede crear una cuasipartícula como un fonón o un plasmón en un sólido.
Cuando se absorbe un fotón, el campo electromagnético del fotón desaparece ya que inicia un cambio en el estado del sistema que absorbe el fotón. La energía , el momento , el momento angular , el momento dipolar magnético y el momento dipolar eléctrico se transportan desde el fotón al sistema. Debido a que existen leyes de conservación que deben satisfacerse, la transición debe cumplir una serie de restricciones. Esto da como resultado una serie de reglas de selección . No es posible realizar ninguna transición que se encuentre dentro del rango de energía o frecuencia que se observa. [2]
La fuerza de un proceso de absorción electromagnética está determinada principalmente por dos factores. En primer lugar, las transiciones que solo cambian el momento dipolar magnético del sistema son mucho más débiles que las transiciones que cambian el momento dipolar eléctrico y que las transiciones a momentos de orden superior, como las transiciones cuadrupolares , son más débiles que las transiciones dipolares. En segundo lugar, no todas las transiciones tienen el mismo elemento de matriz de transición, coeficiente de absorción o fuerza del oscilador .
Para algunos tipos de bandas o disciplinas espectroscópicas, la temperatura y la mecánica estadística desempeñan un papel importante. Para los rangos de frecuencias de radio , microondas e infrarrojos (lejanos) , los números de ocupación de estados dependientes de la temperatura y la diferencia entre las estadísticas de Bose-Einstein y las estadísticas de Fermi-Dirac determinan la intensidad de las absorciones observadas. Para otros rangos de energía, los efectos del movimiento térmico , como el ensanchamiento Doppler , pueden determinar el ancho de línea .
Existe una amplia variedad de formas de bandas y líneas de absorción, y el análisis de la forma de la banda o línea se puede utilizar para determinar información sobre el sistema que la causa. En muchos casos es conveniente asumir que una línea espectral estrecha es una lorentziana o gaussiana , dependiendo respectivamente del mecanismo de decaimiento o de los efectos de la temperatura como el ensanchamiento Doppler . [3] El análisis de la densidad espectral y las intensidades, el ancho y la forma de las líneas espectrales a veces pueden proporcionar mucha información sobre el sistema observado, como se hace con los espectros de Mössbauer .
En sistemas con un gran número de estados, como las macromoléculas y los grandes sistemas conjugados, no siempre es posible distinguir los distintos niveles de energía en un espectro de absorción. Si se conoce el mecanismo de ensanchamiento de la línea y la forma de la densidad espectral es claramente visible en el espectro, es posible obtener los datos deseados. A veces es suficiente conocer los límites inferior o superior de la banda o su posición para realizar un análisis.
En el caso de la materia condensada y los sólidos, la forma de las bandas de absorción suele estar determinada por las transiciones entre estados en sus distribuciones de densidad de estados continua. En el caso de los cristales , la estructura de la banda electrónica determina la densidad de estados. En los fluidos , vidrios y sólidos amorfos , no existe correlación de largo alcance y las relaciones de dispersión son isotrópicas. En el caso de los complejos de transferencia de carga y los sistemas conjugados , el ancho de banda se complica por diversos factores, en comparación con la materia condensada. [4]
Las transiciones electromagnéticas en átomos, moléculas y materia condensada ocurren principalmente en energías correspondientes a la parte UV y visible del espectro. Los electrones del núcleo de los átomos, y muchos otros fenómenos, se observan con diferentes marcas de XAS en el rango de energía de rayos X. Las transiciones electromagnéticas en los núcleos atómicos , como se observa en la espectroscopia Mössbauer , ocurren en la parte de rayos gamma del espectro. Los principales factores que causan el ensanchamiento de la línea espectral en una banda de absorción de un sólido molecular son las distribuciones de energías vibracionales y rotacionales de las moléculas en la muestra (y también las de sus estados excitados). En cristales sólidos, la forma de las bandas de absorción está determinada por la densidad de estados de estados iniciales y finales de estados electrónicos o vibraciones reticulares, llamados fonones , en la estructura cristalina . En la espectroscopia en fase gaseosa, se puede discernir la estructura fina proporcionada por estos factores, pero en la espectroscopia en estado de solución, las diferencias en los microentornos moleculares amplían aún más la estructura para dar bandas suaves. Las bandas de transición electrónica de las moléculas pueden tener un ancho que va desde decenas hasta varios cientos de nanómetros.
Las transiciones vibracionales y las transiciones de fonones ópticos tienen lugar en la parte infrarroja del espectro, en longitudes de onda de alrededor de 1 a 30 micrómetros. [5]
Las transiciones rotacionales tienen lugar en las regiones de infrarrojo lejano y microondas. [6]
Las bandas de absorción en el rango de radiofrecuencia se encuentran en la espectroscopia de RMN . Los rangos de frecuencia e intensidades están determinados por el momento magnético de los núcleos observados, el campo magnético aplicado y las diferencias de número de ocupación de temperatura de los estados magnéticos.
Los materiales con amplias bandas de absorción se utilizan en pigmentos , colorantes y filtros ópticos . El dióxido de titanio , el óxido de zinc y los cromóforos se utilizan como absorbentes y reflectores de rayos UV en los protectores solares .
En oxígeno :
En ozono :
En nitrógeno :