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 en una sustancia.
Según la mecánica cuántica , los átomos y las moléculas sólo pueden contener ciertas cantidades definidas de energía o existir en estados específicos . [1] Cuando un átomo o molécula emite o absorbe tales cuantos de radiación electromagnética , 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 los sólidos, tienen una densidad de distribución 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 todo un sistema vibratorio o giratorio, como una molécula, de un estado vibratorio 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 e 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 cumplirse, 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 observado. [2]
La fuerza de un proceso de absorción electromagnética está determinada principalmente por dos factores. En primer lugar, las transiciones que sólo 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 juegan un papel importante. Para los rangos de infrarrojos (lejanos) , microondas y radiofrecuencia, los números de ocupación de los estados que dependen 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 la línea .
Existe una amplia variedad de formas de líneas y bandas 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 suponer que una línea espectral estrecha es Lorentziana o Gaussiana , dependiendo respectivamente del mecanismo de desintegración o de efectos de temperatura como el ensanchamiento Doppler . [3] El análisis de la densidad espectral y las intensidades, ancho y forma de las líneas espectrales a veces puede proporcionar mucha información sobre el sistema observado, como se hace con los espectros de Mössbauer .
En sistemas con un gran número de estados, como macromoléculas y grandes sistemas conjugados, no siempre es posible distinguir los niveles de energía separados 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. En ocasiones basta con conocer los límites inferior o superior de la banda o su posición para un análisis.
Para la materia condensada y los sólidos, la forma de las bandas de absorción a menudo está determinada por transiciones entre estados en su densidad continua de distribuciones de estados. Para los cristales , la estructura de bandas electrónicas determina la densidad de estados. En fluidos , vidrios y sólidos amorfos , no existe correlación de largo alcance y las relaciones de dispersión son isotrópicas. Para los complejos de transferencia de carga y los sistemas conjugados , el ancho de la banda se complica por una variedad de factores, en comparación con la materia condensada. [4]
Las transiciones electromagnéticas en átomos, moléculas y materia condensada se producen principalmente en energías correspondientes a la parte ultravioleta 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 los rayos X. Las transiciones electromagnéticas en los núcleos atómicos , como se observa en la espectroscopia de Mössbauer , tienen lugar en la parte del espectro de rayos gamma . Los principales factores que provocan el ensanchamiento de la línea espectral hasta convertirse en una banda de absorción de un sólido molecular son las distribuciones de energías vibratorias y rotacionales de las moléculas de la muestra (y también las de sus estados excitados). En los cristales sólidos la forma de las bandas de absorción está determinada por la densidad de estados iniciales y finales de los estados electrónicos o vibraciones de la red, 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 microambientes moleculares amplían aún más la estructura para dar bandas suaves. Las bandas de transición electrónica de moléculas pueden tener desde decenas hasta varios cientos de nanómetros de ancho.
Las transiciones vibratorias 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 del infrarrojo lejano y de las microondas. [6]
En la espectroscopia de RMN se encuentran bandas de absorción en el rango de radiofrecuencia . Los rangos de frecuencia e intensidades están determinados por el momento magnético de los núcleos observados, el campo magnético aplicado y las diferencias en el número de ocupación de temperatura de los estados magnéticos.
Se están aplicando materiales con amplias bandas de absorción en pigmentos , tintes y filtros ópticos . El dióxido de titanio , el óxido de zinc y los cromóforos se aplican como absorbentes y reflectores de rayos UV en protectores solares .
En oxígeno :
En ozono :
En nitrógeno :