Chimica-Fisica Biologica
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SPETTROSCOPIA Spettro elettromagnetico Radiazioni elettromagnetiche (r.e.m) Modello classico e quantistico Assorbimento di r.e.m Emissione di r.e.m. Spettroscopia di assorbimento Spettroscopia di emissione
Come è possibile osservare ciò che accade
a livello molecolare ?
Il BIOLOGO MOLECOLARE
• studia negli organismi viventi i meccanismi molecolari fisiologici e patologici,
concentrandosi in particolare sulla struttura e sulle interazioni tra le macromolecole.
•analizza le funzioni che DNA, RNA, e proteine svolgono all'interno della cellula e
dell'organismo ed i contenuti di informazione dei genomi.
•valuta la relazione tra struttura e funzione delle macromolecole; studia gli effetti
provocati, nella cellula e nell’organismo, da alterazioni strutturali e funzionali di
DNA, RNA e proteine, accidentali o progettate.
http://www.youtube.com/watch?v=IkKZ_gxAOXI&feature=related
Spettroscopia
Studia le proprietà della materia attraverso l’interazione con diverse componenti dello spettro elettromagnetico
Permette di estrarre informazioni di varia natura quali:
•energia degli stati rotazionali, vibrazionali o elettronici,
•struttura e simmetria delle molecole,
•proprietà dinamiche,
•………..e molto di più
Quando una radiazione elettromagnetica attraversa la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione
può variare da un caso all’altro.
Spettroscopia
Riflessione: si verifica quando la luce incontra una superficie lucida, per
esempio uno specchio.
Il raggio che proviene dall'oggetto, (chiamato raggio incidente), e il raggio
che ritorna dalla superficie lucida (chiamato raggio riflesso), formano
angoli uguali con la superficie riflettente.
Quando una radiazione elettromagnetica attraversa la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione
può variare da un caso all’altro.
Spettroscopia
Rifrazione: È un fenomeno dovuto alla diversa velocità della luce in mezzi diversi: il passaggio
da un mezzo a bassa densità come l'aria a un mezzo a densità elevata come l'acqua ne riduce la
velocità e ne causa la deviazione (eccetto nel caso in cui entri perpendicolarmente alla superficie
del mezzo).
cannucce
Quando una radiazione elettromagnetica attraversa la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione
può variare da un caso all’altro.
La radiazione trasmessa può:
•assumere diverse direzioni di propagazione (riflessione, rifrazione)
•vibrare su un piano diverso (polarizzazione),
•viaggiare con velocità minore,
•essere meno intensa di quella incidente (assorbimento).
Spettroscopia
Spettroscopia
Radiazione Elettromagnetica
Radiazione Elettromagnetica
Dispersione e rifrazione della luce solare
contro le pareti delle gocce.
Che cosa è la radiazione elettromagnetica? una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio
ad altissima velocità.
Modello classico ad onda sinusoidale
La radiazione elettromagnetica è composta da onde elettromagnetiche, consistenti, cioè, nell'oscillazione
concertata di un campo elettrico e di un campo magnetico. Queste onde si propagano in direzione
ortogonale a quella di oscillazione
Radiazione Elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche sono definite
da alcuni parametri quali:
lunghezza ampiezza frequenza
velocità di propagazione energia
intensità
Radiazione Elettromagnetica
l
Proprietà delle onde
l= lunghezza d’onda
Radiazione Elettromagnetica
p 10-12 pico
n 10-9 nano
μ 10-6 micro
m 10-3 milli
c 10-2 centi
Nel SI l’unita’ di misura e’ il metro (m).
Per lunghezze d’onda corte si usano i
prefissi:
Si usa anche l’Angström (Å)
che corrisponde a 10-10 m.
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
l= lunghezza d’onda
l
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
l= lunghezza d’onda
Nel SI l’unita’ di misura e’ l’Hertz (Hz, ha le dimensioni di s-1).
Corrisponde al numero di cicli al secondo.
Si usano i prefissi:
M 106 mega
G 109 giga
T 1012 tera
P 1015 peta
E 1018 exa
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
n = frequenza
c=ln=2,9979*108 m/s
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
c=velocità
E=hn
h=6,62618*10-34 J s
Costante di Planck
Proprietà delle onde
E=energia
Radiazione Elettromagnetica
Intensità
(legata all’ ampiezza dell’onda)
Joule su metri quadrati al secondo (J/(m2·s)).
la quantità di energia trasportata per
unità di tempo e di superficie
ortogonale alla direzione di
propagazione.
Nel tardo 800 i risultati di alcuni esperimenti indicavano che, quando la luce
ultravioletta colpiva una lastra di zinco carica negativamente, questa si
scaricava. In altre parole un certo numero di elettroni venivano emessi
dalla piastra.
Effetto fotoelettrico
Ciò accadeva solo con luce ultravioletta
Con raggi di luce di frequenza più piccola (lunghezza d'onda più lunga) il
fenomeno non si verificava. Altri esperimenti vennero effettuati e si dimostrò che
per materiali diversi dallo zinco erano altre le frequenze a permettere l'emissione
di elettroni.
Lastra di zinco
UV
Nell'ambito della fisica classica i risultati sperimentali potevano essere spiegati con
l'idea che:
quando le onde luminose colpivano gli elettroni, questi si sarebbero messi a vibrare fino a quando non avessero raggiunta l'energia sufficiente per essere emessi dalla
piastra.
Tuttavia ci sono dei punti deboli in questa spiegazione.
• L'energia dell'elettrone emesso non dipende dall'intensità della luce.
• Per una data sostanza, nessun elettrone viene emesso sotto una certa frequenza. Al
di sopra della frequenza critica, gli elettroni vengono emessi con una energia che
cresce proporzionatamente alla frequenza del raggio luminoso.
Radiazione Elettromagnetica
1905: Albert Einstein, sempre nel tentativo di spiegare il modo in cui
radiazione e materia interagiscono tra loro, suppose che la radiazione
stessa fosse composta da quanti (fotoni), ovvero da "pacchetti"
di energia, con energia E pari a hn
Radiazione Elettromagnetica
Radiazione Elettromagnetica
Questa ipotesi spiega i risultati ottenuti
sperimentalmente.
Appena un fotone con sufficiente energia
colpisce un elettrone, l'elettrone l'assorbe ed
acquisisce una energia sufficiente a liberarsi dei
suoi legami atomici. La quantità minima di
energia necessaria a causare ciò corrisponde
direttamente alla frequenza critica menzionata
sopra. E quando il fotone ha maggior energia
rispetto a quella richiesta, quella energia in più
viene convertita in energia cinetica
1905: Albert Einstein, sempre nel tentativo di spiegare il modo in cui
radiazione e materia interagiscono tra loro, suppose che la radiazione
stessa fosse composta da quanti (fotoni), ovvero da "pacchetti"
di energia, con energia E pari a hn
L’intensità di una radiazione elettromagnetica dipende:
•dal numero di fotoni che attraversa in un secondo una superficie perpendicolare al flusso di fotoni •dall’energia del fotone.
1923: Un terzo tipo di interazione tra la radiazione e la materia venne
descritto in maniera semplice e soddisfacente da Arthur Holly
Compton, il quale riprese l'idea di Einstein che la luce fosse costituita
da particelle dotate di energia e impulso.
Radiazione Elettromagnetica
Quest'ultima era la prova definitiva che
convinse la comunità scientifica circa la
NATURA CORPUSCOLARE
DELLA LUCE.
Emerse quindi un nuovo modello del campo elettromagnetico,
descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA:
la luce, accanto alle proprietà ondulatorie
classiche, in determinate condizioni, manifesta
anche proprietà corpuscolari.
Questi "quanti di luce" di cui è composta la radiazione elettromagnetica sono detti fotoni
Radiazione Elettromagnetica
Modello corpuscolare
la radiazione è descritta come un flusso di particelle discrete, o pacchetti d’onde, chiamati fotoni. Da una
parte, i fotoni hanno caratteristiche simili a quella di un onda (es. hanno una frequenza e danno fenomeni di
interferenza), dall’altra hanno proprietà simili a quella di una particella.
L’energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della
radiazione elettromagnetica a cui appartiene:
E=hn
Radiazione Elettromagnetica
Che cosa è la radiazione elettromagnetica? una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio
ad altissima velocità.
Radiazione Elettromagnetica
Modello corpuscolare
la radiazione è descritta come un flusso di particelle discrete, o pacchetti
d’onde, chiamati fotoni. Da una parte, i fotoni hanno caratteristiche simili a
quella di un onda (es. hanno una frequenza e danno fenomeni di
interferenza), dall’altra hanno proprietà simili a quella di una particella.
L’energia di un fotone è proporzionale
alla frequenza della radiazione
elettromagnetica a cui appartiene:
E=hn
Radiazione Elettromagnetica
Base comune di tutte le forme di spettroscopia è il
concetto di transizione:
il passaggio di un atomo o molecola da uno stato energetico ad un altro.
L’interazione tra energia radiante e materia
segue differenti meccanismi a seconda della
radiazione impiegata
Quantizzazione di Energia
L’energia interna delle molecole è quantizzata (sono permessi solo valori
finiti) e l’energia di ogni molecola poliatomica deriva da diversi contributi :
Etot = Etras + Erot + Evib +Eele+ Eelv + En
•Etras = Energia traslazionale dovuta al movimento dovuta al movimento traslazionale della molecola della molecola
•Erot = Energia rotazionale dovuta al movimento di rotazione della molecola
•Evib = Energia vibrazionale dovuta alle vibrazioni cui sono soggetti gli atomi della molecola
•Eele = Energia dovuta agli elettroni di non legame (interni)
•Eelv = Energia dovuta agli elettroni di valenza
•En = Energia nucleare legata all’energia delle particelle che compongono il nucleo
Quantizzazione di Energia
ROTAZIONALE in virtù’ della
rotazione intorno al suo centro di massa
VIBRAZIONALE per gli spostamenti
periodici degli atomi dalla loro
posizione di equilibrio,
Quantizzazione di Energia
ELETTRONICA poiché gli elettroni
intorno all’atomo o quelli di legame
sono in continuo movimento.
Ognuno dei termini energetici ha valori quantizzati e
compresi in un intervallo di valori di energia paragonabile alle
energie delle differenti zone dello spettro elettromagnetico.
Livello elettronico fondamentale
Primo livello elettronico
eccitato
DE1
DE2 Livelli vibrazionali
Livelli rotazionali DE3
DE1 >DE2 >DE3
Quantizzazione di Energia
Livello elettronico fondamentale
Primo livello elettronico
eccitato
Eccitazione
assorbimento
Eccitazione e Rilassamento
e-
e-
Primo livello elettronico
eccitato
Rilassamento
emissione
Eccitazione e Rilassamento
Rilassamento non radioattivo:
l’energia viene trasferita mediante piccole collisioni alle
molecole circondanti, ma senza emissione di fotoni. C’è un
piccolo aumento di temperatura nel mezzo.
Rilassamento radioattivo (EMISSIONE):
l’energia viene trasferita mediante emissione di fotoni.
Si può raggiungere uno stato intermedio di decadimento
termico e riemissione di una radiazione con frequenza
minore della radiazione che provoca l’eccitazione, si parla
in questo caso di fluorescenza e di fosforescenza.
In alcuni casi, l’energia elettromagnetica assorbita è
rilassata interamente in forma di radiazione con frequenza
diversa, si ha allora la diffusione per effetto Raman.
Spettroscopia di assorbimento
studia l’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte
di atomi e molecule.
Spettroscopia
Spettroscopia di emissione
studia l’emissione di radiazione elettromagnetica da
parte di atomi e molecole.
Spettroscopia
Tanto la spettroscopia di emissione quanto quella di assorbimento
forniscono identica informazione circa gli intervalli che separano i livelli
energetici; la scelta di una tecnica rispetto ad un’altra poggia su
considerazione di ordine pratico.
Spettroscopia
Spettroscopia
Asse X
Asse Y: l’assorbimento
Spettro d’Assorbimento