Banda de absorción

En espectroscopia , 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 desde un estado inicial a un estado final en 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 tales 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 un átomo o molécula absorbe radiación electromagnética , 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 líquidos o sólidos, tienen una distribución continua de densidad de estados 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 vibracional o rotacional 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 un fotón es absorbido, su campo electromagnético desaparece al iniciarse un cambio en el estado del sistema que lo absorbe. La energía , el momento , el momento angular , el momento dipolar magnético y el momento dipolar eléctrico se transfieren del fotón al sistema. Debido a que existen leyes de conservación que deben cumplirse, la transición debe satisfacer una serie de restricciones. Esto da lugar a 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 intensidad de un proceso de absorción electromagnética está determinada principalmente por dos factores. Primero, las transiciones que solo modifican el momento dipolar magnético del sistema son mucho más débiles que las transiciones que modifican el momento dipolar eléctrico , y las transiciones a momentos de orden superior, como las transiciones cuadrupolares , son más débiles que las transiciones dipolares. Segundo, no todas las transiciones tienen el mismo elemento de matriz de transición, coeficiente de absorción o fuerza de oscilador .

Para algunos tipos de bandas o disciplinas espectroscópicas, la temperatura y la mecánica estadística desempeñan un papel importante. Para los rangos de infrarrojo (lejano) , microondas y radiofrecuencia, los números de ocupación de estados dependientes de la temperatura y la diferencia entre la estadística de Bose-Einstein y la estadística 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 puede utilizarse para determinar información sobre el sistema que la produce. En muchos casos, es conveniente suponer que una línea espectral estrecha es lorentziana o gaussiana , dependiendo respectivamente del mecanismo de decaimiento o de efectos de 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 puede proporcionar mucha información sobre el sistema observado, como se hace con los espectros Mössbauer .

En sistemas con un gran número de estados, como macromoléculas y sistemas conjugados de gran tamaño , los distintos niveles de energía no siempre se pueden distinguir en un espectro de absorción. Si se conoce el mecanismo de ensanchamiento de línea y la forma de la densidad espectral es claramente visible en el espectro, es posible obtener los datos deseados. A veces, basta con conocer los límites inferior o superior de la banda o su posición para realizar un análisis.

En la materia condensada y los sólidos, la forma de las bandas de absorción suele estar determinada por las transiciones entre estados en sus distribuciones continuas de densidad de estados . En 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. En los complejos de transferencia de carga y los sistemas conjugados , el ancho de banda se ve complicado por diversos factores, en comparación con la materia condensada. ^{[ 4 ]}

Los materiales con bandas de absorción amplias se utilizan en pigmentos , tintes y filtros ópticos . El dióxido de titanio , el óxido de zinc y los cromóforos se emplean como absorbentes y reflectores de rayos UV en protectores solares .

En oxígeno :

• las bandas de Hopfield , muy fuertes, entre aproximadamente 67 y 100 nanómetros en el ultravioleta (nombradas en honor a John J. Hopfield );
• un sistema difuso entre 101,9 y 130 nanómetros;
• el continuo Schumann-Runge, muy fuerte, entre 135 y 176 nanómetros;
• las bandas Schumann-Runge entre 176 y 192,6 nanómetros (nombradas en honor a Victor Schumann y Carl Runge );
• las bandas de Herzberg entre 240 y 260 nanómetros (nombradas en honor a Gerhard Herzberg );
• las bandas atmosféricas entre 538 y 771 nanómetros en el espectro visible; incluyendo el oxígeno δ (~580  nm), γ (~629  nm), B (~688  nm) y banda A (~759-771  nm) ^{[ 7 ]}
• un sistema en el infrarrojo a unos 1000 nanómetros, ^{[ 8 ]}

En el ozono :

• Las bandas de Hartley se encuentran entre 200 y 300 nanómetros en el ultravioleta, con una absorción máxima muy intensa a 255 nanómetros (nombradas en honor a Walter Noel Hartley );
• las bandas de Huggins , absorción débil entre 320 y 360 nanómetros (nombradas en honor a Sir William Huggins );
• las bandas de Chappuis (a veces escritas erróneamente como "Chappius"), un sistema difuso débil entre 375 y 650 nanómetros en el espectro visible (nombrado en honor a J. Chappuis ); y
• Las bandas de Wulf en el infrarrojo más allá de los 700  nm, centradas en 4.700, 9.600 y 14.100 nanómetros, siendo esta última la más intensa (nombrada en honor a Oliver R. Wulf ).

En nitrógeno :

• Las bandas de Lyman-Birge-Hopfield , a veces conocidas como bandas de Birge-Hopfield , en el ultravioleta lejano: 140-170 nm  (nombradas en honor a Theodore Lyman , Raymond T. Birge y John J. Hopfield ).

Las ondas de radio que viajan a través de la atmósfera se ven afectadas por bandas de absorción. La Unión Internacional de Telecomunicaciones cuenta con una documentación muy detallada sobre el comportamiento de absorción en las bandas de radio y datos espectroscópicos para el oxígeno y el vapor de agua. ^{[ 9 ]}

En vapor de agua :

• Pico de resonancia a 22,24 GHz, 1,35 cm, para el cual existe una banda K (IEEE) en radio.
• 183 GHz

En oxígeno :

• un pico alrededor de 5 milímetros (60 GHz), lo que tiene consecuencias para la radiocomunicación en la banda V.
• Pico de 118 GHz

• Principio de Franck-Condon
• Espectroscopia
• Línea espectral