12.3 : Spettroscopia Molecolare: Assorbimento ed Emissione

Le molecole possiedono livelli energetici discreti chiamati stati quantici. A differenza degli atomi, che hanno livelli energetici più semplici, le molecole possiedono livelli energetici rotazionali e vibrazionali aggiuntivi. Ogni livello energetico è separato da un gap energetico, con i gap tra livelli elettronici, vibrazionali e rotazionali adiacenti che variano in modo significativo. I tre tipi di livelli energetici in una molecola biatomica sono mostrati in Figura 1.

Figura 1: I tre tipi di livelli energetici in una molecola biatomica.

Una molecola può assorbire energia sotto forma di fotone dalla radiazione elettromagnetica e utilizzare quell'energia per eccitare la molecola a uno stato energetico superiore. Durante questo processo, possono verificarsi cambiamenti nella rotazione attorno a un legame, nella frequenza di vibrazione del legame o nella transizione di un elettrone dal suo stato fondamentale (lo stato energetico più basso) a uno stato eccitato (un livello energetico superiore). Quando la molecola allo stato eccitato torna al suo stato fondamentale, emette radiazioni. L'energia del fotone assorbito o emesso è equivalente al gap energetico tra i due livelli energetici coinvolti nella transizione. Pertanto, ogni transizione dipende dalla lunghezza d'onda o dalla frequenza della radiazione.

A causa delle diverse grandezze dei gap energetici, le lunghezze d'onda della radiazione assorbita durante queste transizioni differiscono. Ad esempio, l'energia consumata o rilasciata durante la transizione di una rotazione specifica in una molecola rientra nell'intervallo della radiazione a microonde. Al contrario, l'energia della radiazione infrarossa corrisponde a cambiamenti nelle vibrazioni dei legami. Inoltre, i fotoni nell'intervallo UV-visibile possono eccitare un elettrone portandolo a un orbitale diverso, in particolare nel caso di molecole con doppi legami coniugati.