Transiciones
Transiciones Rotacionales, Vibracionales y Electronicas
La mayoria de nuestra informacion experimental sobre los niveles de energia de los atomos y las moleculas proviene de la espectroscopia, el estudio de la absorcion y emision de radiacion electromagentica (luz) por la materia. La espectroscopia es el principal medio de investigacion del nivel molecular. La espectroscopia permite encontrar estructuras moleculares (conformaciones, longitudes de enlace y angulos) y frecuencias moleculares de vibracion.
La frecuencia a la que se absorbe o emite energia esta relacionada con los niveles de energia implicados en la transicion por la energia del foton que usa en las espectroscopias. Las transiciones entre los niveles de energia rotacional y vibracional estan a medio camino entre estos 2 extremos, teniendo los niveles de energia rotacional un especiado menor que los vibracionales. El espectro electromagnetico se describe en la figura 1.
Los espectroscopistas usan comunmente la cantidad numero de ondas, que tiene unidades de centimetros inversos, en lugar de la longitud de onda o la frecuencia, para designar las transiciones espectrales. Pasamos ahora de la descripcion clasica de la mecanocuantica que implica a los niveles discretos de energia. Los procesos basicos que tienen lugar en las transiciones asistidas por fotones son la absorcion, la emision espontanea y la emision estimulada.
En absorcion, el foton incidente induce una transicion a niveles elevados y en emision, se emite un foton cuando el estado excitado se relaja a uno de energia inferior. La absorcion y la emision estimulada son iniciados por un foton que incide sobre la molecula de ineteres. Como da a entender el nombre, la emision estimulada es un suceso aleatorio y su velocidad esta relacionada con el tiempo de vida media del estado excitado.
La emision espontanea y estimulada difieren en un aspecto importante. La emision espontanea es un proceso completamente al azar, y los fotones emitidos son incoherentes, lo que quiere decir que sus fases y su direccion de propagacion son aleatorias.
Rotacion y Vibracion de moleculas diatomicas
Iniciamos con el estudio de la espectroscopia molecular, que engloba las transiciones que se producen entre los niveles de energia rotacionales, vibracionales y electronicos de una molecula, lo que da, respectivamente, a los espectros de microondas, infrarrojo y visible-ultravioleta. Comenzaremos por describir las moleculas mas sencillas, las diatomicas, en las que el pequeño numero de grados de libertad internucleares que poseen, uno vibracional y 2 rotacionales, facilita en gran medida la descripcion conceptual y matematica de estos tipos de movimientos. Desarrollaremos primero el tratamiento cuantico de los movimientos de vibracion y rotacion de moleculas diatomicas. La espectroscopia molecular es mucho mas variada que la atomica por lo que origina mas complejidad de los sistemas moleculares. Esta complejidad se pone claramente de manifesto al escribir el operador Hamiltoniano, que viene dado por:
