Introducció

L'espectroscòpia té una gran importància en totes les branques de la química. El paper dinàmic i creador de l'espectroscòpia es posa de manifest en examinar la seva evolució des de les espectroscòpies clàssiques (UV, IR,...). En la dècada dels 50 es desenvolupen el que aleshores van ser mètodes espectroscòpics totalment nous (i que ara ja són considerats clàssics), com ara la ressonància magnètica nuclear i d'espín electrònic; en la dècada dels 60 contemplem el desenvolupament del fenomen LASER com a font intensa de radiació en espectroscòpia Raman i en altres aplicacions; en la dècada dels 70, amb la introducció de micoordinadors en els espectrofotòmetres i demés instrumental espectroscòpic es possibilità l'ús i desenvolupament dels mètodes de transformada de Fourier amb la consegüent millora general de la sensibilitat; en les dues darreres dècades s'han desenvolupat un elevat nombre de mètodes espectroscòpics, que encara que no presenten un ús tan ampli com les espectroscòpies clàssiques, tenen aplicacions importants en àrees específiques. Entre aquestes tècniques podem citar l'espectroscòpia fotoelectrònica (UPS i XPS), l'espectroscòpia Auger, etc.

És clar que no podem abastar en un curs introductori tota l'espectroscòpia. Presentem en aquests curs el fenomen espectroscòpic i les espectroscòpies clàssiques. En el primer capítol bàsicament es pretén bastir un pont entre la descripció macroscòpica i microscòpica del fenomen espectroscòpic, és a dir del fenomen d'interacció de la radiació amb la matèria. Aquest capítol, en ser l'introductori de la matèria, és el més divers i el que presenta en major grau de complexitat. Presenta aspectes de tipus teòrics com ara l'aplicació de la teoria de pertorbacions depenent del temps per a donar lloc a les regles de selecció, a la vegada que pràctics, com ara la deconvulació d'una banda complexa com la suma de bandes, el càlcul de l'àrea sota una banda i la seva relació amb la força d'oscil·lador, etc. La resta de capítols tracten diverses espectroscòpies clàssiques.

Objectius

Aquest es un curs d'introducció a l'espectroscòpia. L'estudiant bàsicament ha de entendre el fenomen d'interacció radiació-matèria i com dóna lloc als registres gràfics anomenats espectres i ha de ser capaç d'interpretar i extraure informació dels espectres senzills tractats daurant el curs.

Conexements Previs

És convenient tenir coneixements de Teoria de Grups de Simetria (Q25) i una bona base de Química Quàntica (Q39).

Metodologia

Classes teòriques i realització de problemes. Es recomana l'ús extensiu de les fons bibliogràfiques.

Avaluació

Examen tradicional .

Temari

1 Interacció  Radiació-Matèria: espectroscópia

Espectres i regions de l'espectre electromagnètic

Conceptes previs d'espectroscópia

Teoria pertorbacional dependent del temps

Tractament semi-clàssic de la interacció radiació-matèria

Fermi's Golden Rule

 Coeficients d'Einstein

Força d'oscil·lador. Llei de Beer

Amplada natural de banda

Deconvulació i separació de senyals

Moment de transició i regles de selecció

Regles de selecció de la partícula en la caixa, Oscil·lador harmònic i  àtom  d'hidrogen

Graus de prohibició

Conservació del moment angular i regles de selecció

Tema Avançat: Tractament quàntic de la interacció Radiació –

 

2 Espectroscòpia de Rotació Pura

 Forma de l'espectre

 Intensitats

                 Refinament del model de rotor rígid: distorsió centrífuga

Molècules poliatòmiques

Interaccions magnètiques en molècules paramagnètiques

Tema Avançat: Nivells d'energia dels rotors

 

3 Espectroscòpia Vibracional

Molècules diatómiques

Regla de selecció vibracional

Molècules poliatómiques

Tractament quàntic de la vibració molecular

Rotació-vibració en molècules lineals

Rotació-vibració en molècules tromposimètriques

 

4 Espectroscòpia Raman

Teoria clàssica de la dispersió

Polaritzabilitat

Teoria quàntica de la dispersió Raman Rotacional

Teoria quàntica de la dispersió Raman Vibracional

Regla d'exclusió mútua Vibracional

Espectre Raman de molècules centrosimètriques lineals

 

5 Espectroscópia UV

Principi de Franck-Condon i regles de selecció

Processos electrònics: diagrames de Jablonski

Molècules lineals

Regles de selecció

Càlcul d'energies de dissociació: extrapolació de Birge-Sponer

Anàlisi de l'espectre electrònic: Taules de Deslandres

Molècules poliatómiques

 

6 Espectroscòpia de Ressonància Magnètica Nuclear

Aspectes clàssics

Aspectes macroscòpics

Aspectes quàntics

L'espectre i la seva transformada temporal

Desplaçament químic

Interacció dipolar

Alguns espectres (Sistema de dos protons, Sistema de tres protons)

Bibliografia

                En http://www3.uji.es/~planelle/APUNTS/racoEspectroscopia.html  podeu trobar els apunts de l'assignatura, amb bibliografia a final de cada tema, així com una selecció de pràctiques a realitzar amb ordinador. Tot seguit senyalem uns pocs llibres que podem considerar la bibliografia bàsica d'aquest curs:

                Atkins, P.W.

                "Molecular Quantum Mechanics", 2º ed., Oxford University Press 1986.

                Barchewitz, P.

                "Spectroscopie Atomique et moleculaire, II Spectroscopie moleculaire", Masson Paris 1971

                Barrow, G. M.

                "Introduction to molecular spectroscopy", McGraw Hill, New York 1962.

                Benn, R. and Günther, H.

                "Modern pulse methods in high-resolution NMR spectrocopy"

                Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 22 (1983) 350

                Chang, R.(†)

                "Basic principles of spectroscopy", McGraw Hill, New York 1971.

                Gaydon, A. G.

                "Dissociation Energies and Spectra of Diatomic Molecules", Chapman and Hall,Londres 1968.

                Graybeal, J. D.

                "Molecular spectroscopy", McGraw Hill, New York, 1988.

                Harris, R.K.

                "Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. A physicochemical view",

                Longman Scientific & Technical, Hong Kong, 1991.

                Herzberg, G.

                "Molecular spectra and molecular structure I. Spectra of diatomic molecules",

                Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1939.

                Herzberg, G.

                "Molecular spectra and molecular structure II. Infrared and Raman spectra",  

                Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1945.

                Herzberg, G.

                "Molecular spectra and molecular structure III. Electronic spectra and electronic

structure of poliatomics molecules", Van Nostrand Reinhold Company,New York, 1966.

                Hollas, J.M.

                "Modern spectroscopy", John Wiley & sons, London, 1987.

                Hollas, J. M.

                "High resolution spectroscopy", Butterworth, London, 1982.

                Kroto, H.W.

                "Molecular rotation spectra", Dover, New York,1992.

                Levine, I.N.

                "Espectroscopia molecular", A.C., Madrid, 1980.

                Poole, C.P. and Farach, H.A.

                "Teoria de la resonancia magnética", Reverté, Barcelona, 1976.

                Sindhu, P.S.

                "Molecular Spectroscopy", McGraw Hill, New Delhi, 1991.

                Adv. Quantum Chem. 14 (1981) 63

                Steinfeld, J.I.††

                "Molecules and radiation", The M.I.T. Press, Cambridge, 1985.

                Townes, C.H. and Schawlow, A.L.

                "Microwave spaectroscopy", McGraw Hill, New York 1955.

                Wilson, E.B., Decius, J. C. and Cross, P.C.

                "Molecular Vibrations. The Theory of Infrarred and Raman Vibrational

                Spectra", McGraw-Hill, New York, 1955.

(†) Aquest llibre presenta, al final de cada tema i sota el títol Reading assignements  una o varies referències d'articles didàctics del Jounal of Chemical Education que tracten sobre el tema estudiat. Creem molt interessant suggerir  de manera sistemàtica aquestes o lectures similars als estudiants.

††Aquest llibre presenta un interessant apèndix, Appendix E: The literature of spectroscopy,  on es mencionen  comentades las fonts més importants de la espectroscòpia.