2. TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS Tema 2: Fundamentos de la

Técnicas instrumentales

Página 1 de 15

La copia y/o distribución de este contenido está totalmente prohibida bajo el real decreto de 1/1996 del 12 de abril propiedad intelectual.

1 Técnicas espectroscópicas: Fundamentos de la espectroscopia

Aina Font i Barceló ombr

2. TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS

Tema 2: Fundamentos de la espectroscopia

La espectroscopia se basa en la interacción entre las ondas electromagnéticas (REM) y

la materia. Cuando la materia interacciona con energía térmica o electromagnética, los

átomos o moléculas pueden pasar a un estado energético excitado, en el que

permanecen durante un período de tiempo, de normal corto, regresando después al

estado fundamental.

La radiación electromagnética es una energía que se propaga por el espacio a gran

velocidad. Esta energía puede ser en forma de luz, calor radiantes, microondas…

Regiones del espectro electromagnético

Representación de la radiación electromagnética formada por varias zonas.

-La región de la ultravioleta lejano va de 10nm a 200nm y también se denomina “de

vacío”, el UV cercano abarca las longitudes de onda de 200 a 400nm.

-La zona de REM visible va de los 380nm a los 800nm y corresponde a la franja de los

colores: violeta (400-450nm), azul (450-500nm), verde (500-570nm), amarillo (570-

590nm), naranja (590-620nm) y rojo (620 a 750nm).

Cuando con el ojo humano observamos un color, este corresponde al color

transmitido/no absorbido. Por ejemplo: una silla la vemos de color verde porque ha

absorbido todos los colores de la REM menos esa onda (onda NO absorbida) con

longitud de 500-570 que corresponde al color verde.


Página 2 de 15




Hay varias modelos que definen la REM

- Modelo ondulatorio, define la radiación como una onda simple (no tiene en

cuenta las partículas).

- Modelo corpuscular: define la radiación como un flujo de partículas en la onda.

1) Teoría ondulatoria de Maxwell (1871) Define una onda oscilante que se propaga indefinidamente en línea recta sin

necesidad de un medio material (vacío) y sin la presencia de partículas. Tiene

que haber una combinación entre un campo eléctrico y un campo magnético

perpendicular entre ellos. Además hay un vector perpendicular a los otros dos

que corresponde al movimiento de la onda.

Todas las ondas son transversales, periódicas en mayor o menor medida en

tiempo y espacio. Por lo tanto cada onda tiene unos parámetros propios en

espacio y tiempo. Los parámetros que describen las ondas son:

a. Longitud de onda

Distancia en la dirección de propagación entre dos puntos sucesivos de igual fase.

Se representa en l y tiene las unidades de longitud (m, cm, mm…).

Una radiación monocromática es la que esta compuesta por una única longitud de

onda (simple) en cambio una radiación policromática está compuesta por una

mezcla de longitudes de onda (compuesta) .


Página 3 de 15




b. Período

Tiempo necesario para que dos puntos sucesivos en igualdad de fase pasen por un

punto perpendicular a la dirección de propagación. Tiempo que pasa para que tenga

lugar una oscilación completa, se mide en segundos. Inverso de la frecuencia.

T (período) = 1/ n

c. Frecuencia

Número de ondas completas que pasan por un punto perpendicular a la dirección

de propagación por unidad de tiempo. Se representa por n y tiene las unidades de

Hertz= s-1. Inverso del período.

n= 1/ T

d. Número de onda

Se representa por n y se expresa en unidades inversas de longitud (cm -1). Inverso

de la longitud de onda.

n= 1/T n= 1/ l l= C/n

C-> velocidad de propagación que en el vacío es 2,9979*1010cm/s

e. Velocidad de propagación

Velocidad de propagación de la REM, depende del medio en el que se propague la

radiación, si se modifica el medio varía la velocidad. La velocidad máxima es la de

vacío (C-> 2,9979*1010cm/s ).

f. Amplitud (A)

Máximas separación entre el punto más alto de la REM y el eje X de la dirección de

propagación de la onda.

Onda amortiguada-> es una onda cuya amplitud decrece con el tiempo

eventualmente llegando a cero.

Onda no amortiguada-> es una onda cuya amplitud se mantiene constante.

g. Intensidad

Número de fotones de la REM. Depende de la amplitud, de la frecuencia y de la

longitud de onda.


Página 4 de 15




En resumen:

Cuando la longitud de onda aumenta, la energía y la frecuencia disminuyen. La energía

es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda.

Cuando aumenta la longitud de onda, aumenta la amplitud y la frecuencia disminuye.

Cuando mas pequeña sea la longitud de onda, más energía.

Esta teoría explica los fenómenos de difracción, interferencias y polarización.

2) Teoría corpuscular de Planck-Enstein (1905) (MECÁNICA CUÁNTICA)

Planck en 1900 estudió las características que tenían los cuerpos negros. Él definió los

cuerpos negros como el cuerpo ideal que tiene la capacidad de absorber la radiación al

máximo y emitirla al máximo. Su hipótesis se basaba en que los electrones del cuerpo

negro podían absorber y emitir energía gracias a los movimientos oscilantes del cuerpo,

cada oscilación provocaba una cantidad discreta de energía que le llamó quantum.

Enstein aplicó esta teoría al efecto fotoeléctrico, describió los quantums como

indivisibles y definió la energía de la REM como el conjunto de las energías de los

fotones que la componían.

Con estas hipótesis se introdujo el concepto de teoría corpuscular que define una

radiación electromagnética con propiedades ondulatorias y a la vez constituida por

paquetes de energía denominados fotones. Estos poseen una energía que se define

con la ecuación de Planck:

E= h* n h-> constante de Planck= 6,63*10-34 J*S

n -> Frecuencia

Esta energía depende de la frecuencia de la radiación (n), si aumenta la n aumenta la

energía.

Fotón-> partícula de radiación electromagnética de masa cero y energía h* n

Esta teoría explica los fenómenos de absorción, de emisión y el efecto fotoeléctrico.


Página 5 de 15




MODELO ATÓMIC BOHR

El modelo de Bohr, es un modelo clásico de atómico, capaz de explicar la estabilidad de

la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los

gases. Este modelo atómico partía de predecesores como Rutherford y de las ideas de

Max Planck y Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico. Actualmente este modelo solo

es útil para el hidrogeno.

El modelo describe el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su

alrededor un electrón, a una distancia concreta (radio). Hay un equilibrio entre las cargas

negativas del electrón y las positivas del protón. Este estado se denomina estado

fundamental/equilibro, sólo hay uno concreto para cada átomo.

Describe la absorción como el salto del electrón a un nivel de excitación superior, se

encontrará a una distancia más elevada que en estado de equilibrio (radio). La tendencia

del electrón será volver de manera rápida al estado fundamental/equilibrio. Cada átomo

como hemos comentado tiene un único estado fundamental pero muchos estados

excitados que dependerán de la energía absorbida.

3) Dualidad onda-partícula De Broglie (1924) (MECÁNICA CUÁNTICA)

De Broglie hizo la hipótesis, basándose en el efecto fotoeléctrico de Enstein, que la REM

está considerada una onda y está formada por electrones que se comportan como

grupos de partículas, a las cuales se le puede asociar un modelo ondulatorio. Por lo

tanto, se puede hablar de una dualidad onda-partícula. En ciertas circunstancias se

mostrarán las características ondulatorias y en otras se mostrarán las características de

partícula .

l= h/ cm

h-> constante de Planck m-> masa

Esta ecuación explica la radiación como partícula y como onda, son las bases de lo que conocemos actualmente (ecuación nominada actualmente de Klein-Gordon).

Los efectos de la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción se pueden explicar

tanto con la teoría ondulatoria como con la teoría corpuscular.


Página 6 de 15




SCHRÖDINGER (1926)

La ecuación de Schrödinger en 1926 es muy importante en la mecánica cuántica. Nos

describe como puede variar un estado cuántico de un sistema físico. El estado

cuántico o función de onda es la descripción más completa de un sistema físico

(átomos o electrones), antiguamente estaba explicado por el modelo de Bohr pero

necesitaba alguna corrección ya que no explicaba que electrones de un mismo nivel

tuvieran energías diferentes. Schrödinger postuló que dentro de un mismo nivel

(estado cuántico) existían subniveles, gracias a esta ecuación y a su resolución se

llego al modelo actual de orbitales y a los números cuántico que definen cada electrón.

HEISENBERG (1927)

El principio de incerteza formulado per Heisenberg en el 1927 es uno de los principio

más importantes de la mecánica cuántica . Éste indica que no es posible precisar de

manera exacta y con precisión la posición o el movimiento de una partícula .Según

este principio no tendría sentido hablar de una posición exacta de una partícula/átomo.

Interacción de la REM-Materia

1) Dispersión

La teoría de dispersión de Rayleigh se basa en la colisión de una REM monocromática

con un grupo de partículas. La energía absorbida por cada partícula produce cambios

vibracionales pero no cambios de niveles energéticos de los electrones. Las partículas

excitadas se convierten en una nueva fuente de radiación, correspondiente a la

radiación dispersada, y emiten en todas las direcciones (variación de la dirección).

Dispersión elástica-> el fotón dispersado tiene la misma longitud de onda que el fotón

incidente li= ld.

Dispersión inelástica-> el fotón dispersado tiene una longitud de onda diferente que el

fotos incidente li ≠ ld.

El tipo de dispersión dependerá del tamaño de las partículas:

- Rayleigh:

Partículas muy pequeñas (diámetro de la partícula < 0,1l REM), esféricas y isótropas (un único índice de refracción). Dispersión simétrica a todas direcciones con un ángulo mínimo de 90º.

Dispersión elástica-> no hay una variación de la l.


Página 7 de 15




- Tyndall:

Partículas grandes (diámetro de la partícula >l REM), irregulares y anisotópicas (varios índices de refracción). Proporción dispersada más grande y asimétrica. Intensidad variable dependiendo de la dirección (heterogéneas).

Dispersión elástica-> no hay una variación de la l. - Raman: Partículas muy grandes, de tamaño molecular. Proporción dispersada muy pequeña. Intensidad igual en todas las direcciones.

Dispersión inelástica-> hay una variación de la l.

2) Reflexión

Fenómeno óptico que se produce cuando una REM que se propaga por un medio

material homogéneo y con las mismas características de propagación, incide sobre

una superficie con características diferentes. Esto provoca que parte de la REM vuelva

al medio inicial, REM reflejada (reflexión) y la otra parte sea transmitida al segundo

medio (REM refractada)

Hay una variación de la dirección de la REM cuando esta incide sobre una superficie

plana con características diferentes sin una variación de la velocidad. Se define con la

Reflectancia (R), cociente entre la REM reflejada por la superficie y la energía radiante

incidida.

La ley de reflexión indica que el ángulo de incidencia (ángulo que la REM incide sobre

la superficie) es igual que el ángulo de reflexión (ángulo que la REM es reflectada).

3) Refracción:

La refracción se define como el cambio de dirección y velocidad de una REM cuando

incide con un ángulo concreto a un medio con un índice de refracción distinto al del

medio original. Se observa un cambio brusco en la dirección de la REM secundario a

una diferencia de velocidad entre los dos medios. La ley de refracción también es

conocida como la ley de Snell:

Índice de refracción (n) = c/v

(Recordad que la velocidad de propagación de la REM en el vacío es la máxima

velocidad por lo tanto el índice de refracción siempre será mayor a 1)


Página 8 de 15




4) Difracción:

Cambio de dirección de la REM al pasar por un orificio o agujero. Una rendija larga de

ancho infinitesimal difracta la luz en una serie de ondas circulares y el frente de onda

que emerge de la hendidura es una onda cilíndrica de intensidad uniforme. La

difracción y la interferencia están estrechamente relacionadas y son casi – si no

exactamente – idénticas en significado

La interferencia es la superposición de dos ondas. Hay dos tipos diferentes:

-Constructivas: los mínimo y los máximos se sumas y se genera una única onda.

-Destructivas: las dos ondas se restan o se anulan.

5) Polarización de la luz

Un haz de luz no polarizada se basa en una haz con varios planos y direcciones, que

gracias a un polarímetro puede pasar a ser un haz polarizado plano de una sola

dirección. A parte de un polarímetro se puede conseguir un haz polarizado el

fenómeno de reflexión.

6) Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir

sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). Estos

electrones se propagan en el vacío y pueden ser acelerados por un campo eléctrico y

sus trayectorias se pueden ver modificadas por un campo magnético. Este efecto pone

de manifiesto la característica corpuscular de la REM.

La energía de la REM puede provocar a la superficie del material dos fenómenos:

arrancar los electrones y/o dar más velocidad a estos.

EREM= E Arrancar + Evelocida (Recordad: E= h* n)

hn = hnarrancar + ½ mv2

7) Absorción

Es el fenómeno que sucede cuando la muestra se encuentra en estado fundamental i

pasa a un estado excitado gracias a una REM de frecuencia concreta. La energía que

da la REM tiene que ser exclusivamente la que necesita el átomo o la molécula para

excitarse. Parte de esta energía será absorbida por el analito y el resto será no

absorbida (transmitida).

+ nrem -> + velocidad de los e-

+ I rem (energia) -> + número de e- arrancados


Página 9 de 15




En esta asignatura veremos dos tipos de absorción atómica y molecular. Cuando una

REM pasa a través de una muestra con sólo partículas atómicas se produce una

absorción de longitudes de onda muy concretas, frecuencias muy definidas. Esto nos

da un espectro de absorción muy simple, a causa del número tan pequeño de estados

de excitación que tiene un átomo, se denominara espectro de líneas. A diferencia de

los espectro de moléculas que son bastante más complejos, ya que estas tienen

muchos estados de energía diferentes y por lo tanto podrán absorber diferentes

longitudes de onda. Estos espectros se denominas de bandas ya que abarcan un

intervalo considerable de longitudes de onda .

8) Emisión

Es el fenómeno de liberación de energía (REM) por parte de la muestra para volver a

estados menos excitados. La emisión puede ser propia del analito o porque este

previamente ha sido excitado con una REM.

En esta asignatura veremos dos tipos de emisión atómica y molecular

Espectro Absorción Espectro Emisión

Absorbe REM para ir a niveles

superiores

Emite REM para ir a niveles inferiores

Mas líneas y bandas Menos líneas y bandas

Menos intensas Más intensas

Espectro Molecular Espectro Atómico Estudia moléculas Estudia átomos

Transiciones rotacionales, vibraciones y

electrónicas

Transiciones electrónicas

Espectro de bandas Espectro de líneas


Página 10 de 15




Tema 2.2: Instrumentación básica de las técnicas espectroscópicas

Los cinco componentes básicos de las técnicas espectroscópicas son:

a) Fuente de radiación electromagnética (lámpara).

b) Recipiente transparente que contiene la muestra.

c) Selector de la longitud de la onda.

d) Detector.

e) Sistema de tratamiento y lectura de la señal.

Dependiendo de la técnica utilizada (absorción, emisión o fluorescencia) los

componentes se colocarán en un orden u otro. En todos serán muy importante realizar

la determinación de un blanco, corresponde a toda la muestra menos el analito.

ABSORCIÓN:

La muestra se encuentra en un estado fundamental que pasan a un estado excitado

cuando la REM le incide, cabe recordar que se necesita una REM con una longitud de

onda y una frecuencia concreta.

Por lo tanto parte de la REM emitida por la fuente será absorbida por la muestra y otra

será emitida (NO absorbida). Siempre se necesita una fuente de excitación para esta

técnica que emita a la longitud de onda que necesaria, si emite a varias longitudes el

selector será el encargado de escoger la que nos interesa.

EMISIÓN

En este caso la propia muestra es la que emite la REM, por lo tanto no será necesario

una fuente de excitación. La muestra puede ser excitada y desprender REM por varios

procesos como quimioluminiscencia o diferencia de potenciales entre otros.


Página 11 de 15




FLUORESCENCIA

En los procedimientos fluorescentes se ven dos espectros de radiación: el espectro de

absorción que permite observar la excitación de la muestra gracias a una fuente de

emisión y el espectro de excitación, el más importante, que nos permite observar la

emisión de REM por parte de la muestra y que nos da información cuantitativa y

cualitativa.

Es muy importante que entre la fuente de excitación y el selector de longitud de

onda/detector haya un ángulo de 90 grados para evitar detectar la parte de la REM

emitida por la fuente.

También se pueden clasificar los aparatos como instrumentos de un solo haz o

instrumentos de doble haz. Estos últimos son los que más se utilizan ya que la REM se

divide en dos rayos, uno pasa por la cubeta con la muestra y el otro por la celda de

referencia, y por lo tanto se elimina el error instrumental que pueda haber. Se tiene la

comparación relativa entre la muestra y el blanco a la vez, por lo tanto mayor precisión.

90º


Página 12 de 15




Tipos de fuentes de luz

Todas las fuentes de emisión tienen que tener suficiente potencia para que la radiación

pueda ser absorbida por la muestra, a parte tienen que tener estabilidad y vida larga.

- Fuentes continuas: emiten la radiación que abarca un amplio intervalo de

longitudes de onda (amplio espectro).

• UV: Lámpara de hidrógeno, de deuterio, de arco de argón, de xenón

o de mercurio.

La lámpara de deuterio consiste en la excitación eléctrica de deuterio a baja presión que

produce choques entre electrones y una excitación de estos mismos que al volver al

estado fundamentar liberan la REM utilizada por la fuente.

• Vis: Lámpara de filamento de tungsteno.

A veces las fuentes continuas pueden incluir dos tipo de lámpara como la de

deuterio y la de tungsteno para poder excitar a la vez a varias longitudes de onda.

- Fuentes discontinuas: emiten un número limitado de líneas, solo a unas

longitudes de onda concretas. Básicamente se usan para la absorción atómica. • UV-Vis: lámpara de cátodo hueco y lámpara de descarga sin

electrones.

La lámpara de cátodo hueco de sodio es la más utilizada como fuente discontinua, y

consiste en un cátodo de sodio que se excita y cuando este vuelve a su estado

fundamental libera una REM de longitud de onda muy concreta (correspondiente a la

excitación del Na). Según la presión que se le aplique a la lámpara encontraremos tres

tipos diferentes: baja presión (color amarillo, línea del sodio) y media o alta presión

(tendrán más colores como más presión le apliques).

- Láser: originan un haz de REM monocromático (una única longitud de onda),

intensa y direccional (coherente). Es la mejor fuente de REM pero también es la

más cara. La radiación producida por el funcionamiento del láser se obliga a

pasar muchas veces a través del medio, lo que da lugar a una gran amplificación

(muy potente). El mecanismo de funcionamiento del láser se basa en 4 procesos: 1) Bombardeo: el número de partículas en el estado excitado supera al número de partículas del estado

fundamental. 2) Emisión espontánea 3) Emisión estimulada 4) Absorción


Página 13 de 15




Tipos de selectores de onda

Los selectores de onda se encargan de seleccionar una longitud de onda concreta

cuando la REM de excitación o de emisión tiene varias longitudes. Si la lámpara de

excitación me da una longitud de onda muy amplia pondré un selector para escoger la

única frecuencia que me interesa para excitar.

- Filtros: se usan para cosas concretas y solo nos deja escoger una zona muy

reducida de longitud de onda, no nos permite ir variando de λ.

Hay de dos tipos: de absorción y de interferencia.

- Monocromadores: Se utilizan mucho más en las técnicas de espectroscópicas

ya que nos permiten variar la λ de forma continua y con un amplio intervalo.

Sus componentes son:

1) Rendija de entrada.

2) Lente o espejo que produce un direccionamiento de la REM.

3) Prisma o red de difracción: elemento que dispersa la REM en varias λ.

4) Segunda lente.

5) Rendija de salida que nos permite escoger la longitud de onda que nos

interesa.

Hay de dos tipos:

- Primas: se basan en la refracción, es decir la variación de dirección que sufre

una REM cuando incide sobre otro medio de índice de refracción diferente.

- Redes de difracción: se basan en el fenómeno de difracción y actualmente son

las mas usadas por tener alta resolución, dispersión lineal y pocas perdidas por

absorción.

Dentro de las redes de difracción hay las de reflexión que se basan en una

superficie reflectante con ranuras y las redes de transmisión que están

constituidas por una superficie revestida de aluminio con pequeñas ranuras muy

próximas. En las ranuras es donde tiene lugar el fenómeno de difracción y se

separa la REM por diferentes longitudes de onda.

El poder de resolución (capacidad de separar REM con longitudes de onda muy

parecidas) de este tipo de monocromadores depende del número de ranuras que

haya (ya hemos comentado que es donde tiene lugar la difracción) y de la

longitud de onda (más poder como más λ).


Página 14 de 15




Tipos de celdas

Es muy importante escoger correctamente el material de las celdas, en caso contrario

parte de la REM podría ser absorbida por la celda y obtendríamos resultados erróneos.

La celda tiene que fabricarse de materiales que permitan el paso de la REM.

• UV: cuarzo o sílices.

• Vis: plástico o vidrio de borosilicatados.

Las cubetas tienen dos caras lisas y dos caras esmeriladas o las 4 caras lisas.

Tipos de detectores

Convierten la energía REM en una señal eléctrica que el observador es capaz de

entender.

¿Como tiene que ser un detector perfecto?

Alta sensibilidad, una relación de señal/ruido elevada, una respuesta constante (no se

modifique por causas externas), tiempo de respuesta rápida y mínima perdida de señal

(ausencia de iluminación).

Los detectores de pueden clasificar en:

- Detectores térmicos (básicamente en IR). - Detectores de fotones (básicamente en UV):

• Fototubos de vacío: la REM índice sobre un cátodo que genera una emisión

de electrones que se dirigen al ánodo (se crea un circuito) y se origina un

corriente eléctrico que seguidamente se va amplificando.

• Fotomultiplicador: está formado por un cátodo fotosensible y un seguido de

dinodos, estos cuando les llega un electrón proveniente del cátodo

desprenden gran cantidad de electrones, que seguidamente se verán

acelerados hacia el siguiente dinodo. Es decir el primer fotón llegará al

cátodo que desprenderá foto-electrones, este se chocara con el primer

dinodo que nos dará una gran cantidad de nuevos electrones que se verán

acelerados hacia el próxima y así hasta llegar al ánodo que será medida la

señal. Los tubos fotomultiplicadores tienen unos 9 o 10 dinodos , los cuales

originan uno 106 electrones.


Página 15 de 15




Se suele utilizar en señales pobres, que cuesten de detectar con otros

instrumentos, porque si la señal es muy intensa se puede llegar a romper el

instrumento.

• Célula fotovoltaica: cuando llega el fotón al material semiconductor de la

célula, se genera un aumento de la conductividad eléctrica. La conductividad

será más elevada como más fotones incidan sobre el material conductor.

Documents

2. TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS Tema 2: Fundamentos de la