Tema 1: Interacció de la radiació amb la matèria

Continguts:

1. Introducció al concepte d’anàlit2. Naturalesa de les radiacions3. Energia Radiant4. Concepte de color5. Poder Reflector, Poder Difusor, Poder Absorbent i Poder

Transmissor6.Absorció de la radiació per les molècules d’una substància

Objectius:

1. Descriure la diferència entre mètode directe i indirecte.2. Definir els principis físics de la interacció de la radiació

electromagnètica amb la matèria.3. Definir el fenomen d’absorció i emissió d’energia per

molècules en solució al ser estimulades per la radiació electromagnètica.

1.- INTRODUCCIÓ AL CONCEPTE D’ANÀLIT• Uns dels objectius principals d’un laboratori bioquímic

consisteix en determinar la concentració d’alguna de les substància que es trobin dissoltes en algun líquid biològic com per exemple la bilirubina en el sèrum sanguini i la creatinina a l’orina o la glucosa en el líquid cefaloraquidi.

• A la substància que volem determinar se l’anomena ANÀLIT. Moltes de les tècniques que utilitzen per aconseguir aquest objectiu es basen en mesurar la intensitat del color de l’anàlit, degut a què es dona una relació directament proporcional entre la quantitat d’anàlit dissolt per unitat de volum i la intensitat d`aquell volum.

• A vegades, però, l’anàlit no posseeix color per si mateix i és aleshores que estem obligats a fer-lo reaccionar amb el reactiu, obtinguen com a producte d’aquesta reacció una substància amb color propi i que té una intensitat directament proporcional a la concentració de l’anàlit.

• En general, totes les tècniques que treballen amb anàlits que tenen color propi s’anomenen Tècniques Directes, i aquelles que fem reaccionar l’anàlit amb un reactiu s’anomenen Tècniques Indirectes.

• La mesura de color es pot fer d’una manera grollera comparant el color de la substància problema (anàlit) amb una escala de color predeterminada.

• També trobem mètodes antics que s’utilitzaven per la determinació de la concentració d´Hb (l’hemoglobinòmetre de Sahli); o per determinar concentracions d’altres substàncies com ho feien els tubs de Hener; un altre mètode antic és el colorímetre de Dubosq. A tots aquest mètodes poc evolucionats els anomenarem Mètodes Colorimètrics.

• Quan es substitueix la visió humana per un mètode electrònic (cèl·lula fotoelèctrica) aleshores podríem apreciar diferencies de tonalitat de color de manera molt més precisa. En aquest casos parlarem de Mètodes Espectrofotomètrics, amb aquests últims aconseguim determinar la concentració de la substància analítica amb una major exactitud ja que hem passat de la subjectivitat de l’ull a l’objectivitat del mètode electrònic.

• Els aparells que es poden utilitzar per a mètodes colorimètrics s’anomenen Colorímetres i la tècnica seria la Colorimetria, en canvi, en els mètodes Espectrofotomètrics utilitzem uns aparells anomenats Espectrofotòmetres i la tècnica és la Espectrofotometria.

2.-NATURALESA DE LES RADIACIONS

Se sap que les radiacions són emissions electromagnètiques i que es transmeten a la velocitat d’uns 3x105 Km/s , També se sap que adopten diverses formes, una d´elles és la llum, altres vegades no es poden percebre per l’ull humà com són els raigs x, les radiacions ultraviolades, els infrarojos, les microones...

380nm 500nm 600nm 700-770nm

• Les radiacions electromagnètiques les podem considerar des de dos punts de vista:

1.Sobre la Naturalesa Corpuscular: Considerem formades les radiacions per petits cossos materials o corpuscles agrupats en paquets o unitats energètiques anomenades “Quants d’energia”.

2.Sobre la Naturalesa Ondulatòria: Considerem que estan formades per ones que es propaguen pels medis materials i inclòs al buit, i que tenen una forma característica anomenada sinusoïdal en la qual distingim unes crestes i unes depressions.

Amb la intenció que puguem controlar el tipus d’ona i les seves característiques ens estableixen uns conceptes i paràmetres físics:

3.- ENERGIA RADIANT

• Energia amb forma d’ones electromagnètiques que emet un cos quan es trobi a certa temperatura.

• Si el cos es troba a una T< 600ºC la radiació tindrà una longitud d’ona imperceptible a la visió humana (radiació infraroja), aquesta emissió es té que explorar amb una placa fotogràfica o uns altres aparells especials.

• A partir dels 600ºC molts detalls es veuen de color vermell fosc ja que són visibles. A mesura que la Temperatura augmenti, l’espectre s’amplia en la regió visible.

• Al voltant dels 1000ºC s’arriba a la regió del groc. A 1600ºC regió violeta i posteriorment és quan el cos apareix de color blanc intens. A temperatures més altes regió dels ultraviolats.

Teoria de Prévost: L’energia radiant ha de diferenciar-se de l’energia tèrmica transmesa d’un cos a un altre per conducció o per convecció (transport de matèria). L’energia radiant es transmet sense intervenció de matèria.

Tot cos que superi els 0°K emet energia radiant, a la mateixa hora que absorbeix una part de l’energia que emeten els cossos que l’envolten.

3.1.- COLOR

• El color d’una substància es produeix pq absorbeix selectivament totes les λ procedents de la llum blanca, i transmet o reflexa la λ corresponent al seu color.

• Un objecte el veiem d’un cert color quan absorbeix totes les demés energies i transmet la seva.

• La radiació reflexada incideix a la retina ocular i posteriorment al ser processada en una àrea del cervell anomenada Cissura Calcarina (lòbul occipital) que és on ens produeix la sensació nerviosa anomenada color.

 

3.2.- COS BLANC

Cos blanc: un cos ens proporciona la sensació visual corresponent al color blanc quan reflexa totes les radiacions de l’espectre visible que li arriba, i no absorbeix cap d’elles.

3.3.- COS NEGRE

• Cos negre: són aquells que absorbeixen i transformen totalment l’energia radiant que reben, és per això que els cossos negres presenten un poder absorbent (A) igual a la unitat (1).

• Els cossos absolutament negres no existeixen en la natura, però el negre del fum i del platí incandescent són els que més s’acosten a aquesta propietat.

4.- PODER REFLECTOR, DIFUSOR, ABSORVENT,TRANSMISOR• Imaginem-nos un cos semitransparent (recipient de vidre) que contingui

un líquid de color; incideix sobre el recipient un raig lluminós amb una determinada energia en una de les superfícies laterals. Una part d’aquesta energia serà reflectida (E1), una altre part difondrà a totes direccions (E2), una altre part serà absorbida pel propi cos (E3) i l’energia restant emergeix del cos, es transmet (E4).

Els quocients E1/E=R ; E2/E=D ; E3/E=A ; E4/E=T els anomenarem respectivament poders reflector, difusor, absorbent i transmissor.

Si sumem R+D+A+T=1.

Consideracions: - Si R=1 aleshores la superfície incident dels cos és un mirall.

- Si D=1 “ “ “ “ és un cos blanc.

- Si A=1 “ “ “ “ és un cos absorbent o cos negre.

- Si T=1 “ “ “ “ és un cos transparent (només el buit).

5.- ABSORCIÓ DE LES RADIACIONS PER UNA MOLÈCULA O SUBSTÀNCIA.

Quan la llum travessa un objecte succeeix que aquesta pot ser reflectida, difosa, absorbida i transmesa, existint un factor que relaciona l´intensitat de l’energia lluminosa incident amb les intensitats que es perden en cada un d’aquests fenòmens.

Considerem un objecte molt transparent, per exemple un tub d’assaig o un recipient de vidre especial (cubeta) que conté un líquid d’un cert color. Si suposem que les parets del recipient són totalment transparents podem considerar que el recipient quasi no reflexa ni difon la llum que hi arriba, això vol dir a nivell pràctic que considerem aquests dos fenòmens inexistents i per tan només tindrem en compte l’absorció i la transmissió

Per una altre banda, sabem que algunes substàncies poden absorbir quasi totalment radiacions d’una determinada λ (absorció selectiva) en aquest cas direm que aquestes substàncies ens permeten el pas de la resta de les radiacions.

Generalment, cada substància només absorbirà d’una manera significativa una radiació monocromàtica concreta, cada molècula presenta caràcter selectiu en l’absorció de les radiacions.

Ex: agafem 4 tubs d’assaig que contenen una substància però a [ ] decreixents i fem passar per cada tub un raig lluminós amb la seva λ corresponent a la radiació que selectivament absorbeix la substància dissolta. Si la intensitat de la radiació que hi incideix sobre cada un dels tubs és la mateixa, observarem que per l’altre extrem de cada tub sortirà una radiació de menor intensitat quan major sigui la [ ] en cada un dels tubs.

El que hem fet és relacionar una intensitat de radiació i una [ ] de les substàncies, de tal manera que si aconseguim saber la intensitat de la radiació transmesa per la substància podrem saber la [ ] d’aquella substància en cada tub.

Quan s’absorbeixen radiacions electromagnètiques situades en la regió dels ultraviolats i del visible, aleshores l’energia absorbida s’associa a determinats canvis en el nivell electrònic dels àtoms corresponents de la substància. Els e- assumeixen aquesta absorció energètica passant a òrbites superiors. En aquestes situacions tindrem en compte que si l´e- excitat tornés a ocupar l’òrbita anterior a l’excitació la substància emetrà radiació exactament igual que la que va haver d’emetre amb el mateix tipus d’energia que tenia.

La molècula o la part d´ella que s’excita per la llum a conseqüència de l’absorció s’anomena Cromòfor. Una petita part de la radiació absorbida es converteix en energia tèrmica i per tant contribueix a augmentar lleugerament la temperatura de la substància. Una altre part de l’energia absorbida podria utilitzar-se per efectuar canvis de rotació en el pla de vibració de la radiació (llum polaritzada).

Tots els mètodes òptics d’anàlisi impliquen una intersecció entre la mateixa matèria i la radiació electromagnètica. Part de la radiació pot ser absorbida per la mostra i utilitzar-se en efectuar canvis a nivell electrònic. Una altre part de la radiació es converteix en energia tèrmica i pot ser dispersada amb o sense canvi de λ en el sentit de provocar rotació o bé emissió electromagnètica.

Exercicis La ν corresponent al color vermell en el buit és de 451·1012

Hz i la del color violeta en el mateix medi és de 783·1012 Hz. Calcular les λ de cada color considerat.

La λ de la llum violeta val 0,4 µm. Quan valdrà el seu T quan es propagui en el buit.

Si el T d’una radiació electromagnètic en el buit val 1016s (radiació ultraviolada) quina serà la seva ν.

 

• Es té una radiació lluminosa que es propaga en el buit amb λ=400nm. Quin és la seva ν i el seu T.

• Una substància dissolta en un líquid posseeix un poder transmissor del 70%, el poder reflector i el difusor sumen tots dos 0,08%. Determineu el poder absorbent.