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Spettroscopia

La spettroscopia si occupa della misurazione e dell’interpretazione degli spettri che risultano dall’interazione di radiazione elettromagnetica con la materia.

La spettroscopia è un’ottima tecnica analitica, perché gli spettri sono caratteristici della natura chimica dei composti presenti nel campione in esame

La meccanica quantistica ha permesso di stabilire che atomi e molecole si possono trovare in stati aventi valori discreti di energia. Infatti tra i moti possibili si può associare un insieme continuo di valori energetici solo al moto traslazionale mentre tutti gli altri sono quantizzati.

La natura discreta dei livelli energetici ne consente l’indagine diretta e permette di effettuare misure all’interno dei sistemi. Le grandezze misurate sono le differenze di energia tra due stati. Il metodo operativo si basa sulla possibilità che gli atomi o le molecole hanno, se opportunamente eccitati, di occupare stati energetici superiori. Successivamente  tornano negli stati energetici inferiori. Quando il sistema è atomico l’energia è di tipo elettronico oppure dipende dalle orientazioni degli spin nucleari o elettronici oppure dagli stati energetici delle particelle nucleari e che le molecole posseggono in più degli atomi isolati, energia rotazionale e vibrazionale.

L’analisi dell’energia molecolare comporta, quindi, lo studio del sistema nuclei + elettroni e le difficoltà matematiche del problema crescono in modo esponenziale all’aumentare del numero di subparticelle atomiche. Tuttavia, in prima approssimazione, il moto degli elettroni può essere considerato indipendente dal moto associato dei nuclei data la grande differenza tra le masse dei nuclei e quelle degli elettroni.

Funzione d’onda

La funzione d’onda del sistema può quindi essere scritta come prodotto della funzione d’onda elettronica e nucleare e l’energia del sistema come somma dell’energia elettronica e dell’energia nucleare secondo le relazioni:

ψ = ψ_e (q_e) ψ_n(q_n)

E = E_e + E_n

Dove i pedici e ed n si riferiscono rispettivamente agli elettroni e ai nuclei mentre q indicano le coordinate.

Considerazioni analoghe permettono di separare nelle molecole il moto rotazionale da quello vibrazionale e, per tutte le forme quantizzate di energia, si può quindi scrivere:

E_totale = E_{or. spin nucl} + E_{or. spin el} + E_rot + E_vibr + E_el + E_nucl

L’energia di orientazione degli spin nucleari (E_{or. spin nucl}) e l’energia di orientazione degli spin degli elettroni (E_{or. spin el}) dipendono dalle orientazioni che i vettori magnetici relativi agli spin in questione subiscono in un campo magnetico esterno. L’energia rotazionale (E_rot) è dovuta alla rotazione della molecola secondo tre assi ben determinati. Quella vibrazionale (E_vibr) è dovuta alla vibrazione degli atomi nelle molecole. L’energia elettronica (E_el) si può suddividere in energia elettronica di legame che è dovuta alla mobilità degli elettroni di legame e in energia elettronica di cuore interno che è dovuta alla mobilità degli elettroni degli  strati interni di non legame degli atomi che costituiscono la molecola.

L’energia nucleare (E_nucl) è l’energia delle particelle che costituiscono il nucleo ed è scarsamente sfruttata per ottenere dati spettroscopici.

L’equazione di equazione di Schrödinger:

Hψ = Eψ

si scinde quindi in tante equazioni dello stesso tipo ciascuna delle quali corrisponde a un diverso tipo di moto nel sistema, ovvero a un tipo diverso di energia. Dalle risoluzioni di queste equazioni si ottengono gli insiemi di valori discreti  corrispondenti delle diverse forme di energia che caratterizzano le zone spettroscopiche.

Tipi di spettroscopia

In relazione alla natura della radiazione si hanno diversi tipi di spettroscopia

Le regioni spettroscopiche, le loro denominazioni e i processi fisici corrispondenti sono riportati in tabella:

Zona	Processo fisico	Regione	λ	ν (s-1)	Energia (eV)
Raggi γ	Transizioni nucleari		da 3 · 10-3Å a 3 · 10-1 Å	da 9.9 · 1020 a 9.9 · 1018	da 4.09 · 106 a 4.09 · 104
Raggi X	Transizioni degli elettroni interni		da 3 · 10-1Å a 102 Å	da 9.9 · 1018 a 3 · 1016	da 4.09 · 104 a 124
Ultravioletto	Transizioni degli elettroni di legame	UV lontano	da 102Å a 2 ·103 Å	da 3 · 1016 a 1.5 · 1015	da 124 a 6.2
		UV vicino	da 2 · 103Å a 4 · 103 Å	da 1.5 · 1015 a 7.5 · 1014	da 6.2 a 3.1
Visibile			da 4 · 103Å a 7.5 · 103 Å	da 7.5 · 1014 a 4 · 1014	da 3.1 a 1.65
Infrarosso	Vibrazioni molecolari	IR vicino	da 1 μm a 2.5 μm	da 3 · 1014 a 12 · 1013	da 1.24 a 0.496
		IR	da 2.5 μm a 25 μm	da 12 · 1013 a 12 · 1012	da a 0.4960.0496
		IR lontano	da 25 μm a 1 mm	da 12 · 1012 a 3 · 1011	da 0.0496 a 1.24 · 10-3
Microonde	Rotazioni molecolari; orientazione degli spin elettronici in un campo magnetico (ESR)		da 10 mm a 1 m	da 3 · 1010 a 3 · 108	da 1.24 · 10-4 a 1.24 ·10-6

 

Onde radio

Orientazione degli spin nucleari in un campo magnetico (NMR)

da 1000 m a 10 Km

da 3 · 106 a 3 · 104

1.24· 10-8 1.24 · 10-10

L’assorbimento o l’emissione di una radiazione nella zona dei raggi γ sono da attribuire alle transizioni nei diversi stati di spin nucleari ovvero stati di spin caratterizzati da una diversa molteplicità. L’assorbimento o l’emissione di una radiazione nella zona dei raggi X o dell’ultravioletto o del visibile riguardano transizioni degli elettroni sia atomici che molecolari.

I moti rotazionali e vibrazionali dei nuclei mostrano attività spettroscopica nelle regioni dell’infrarosso e delle microonde.

La radiazione nella regione dell’infrarosso deve essere attribuita essenzialmente alle vibrazioni dei nuclei.

Quella nelle regioni dell’infrarosso lontano e delle microonde trae origine dalle rotazioni della molecola. La radiazione di frequenza molto bassa ( micro e radio onde) è usata per le transizioni collegate alla variazione dell’orientazione dei nuclei o degli elettroni in presenza di un campo magnetico esterno.

Attualmente si utilizza l’accoppiamento di vari tipi di spettroscopia per ottenere analisi sempre più raffinate e precise.