Los efectos de los isotopicos en los aspectos atómicos y moleculares

Efecto de los isótopos en los espectros atómicos y moleculares
El estudio de cómo los átomos y las moléculas interactúan con la radiación electromagnética, de la que la luz visible es una forma, se denomina espectroscopia. La espectroscopia ha contribuido mucho a la comprensión de los isótopos, y viceversa. En la medida en que el espectro característico de un átomo o una molécula (es decir, la luz emitida o absorbida por él) se considera como una propiedad física, la relación especial entre la espectroscopía y la isotopía justifica el tratamiento individual aquí.
 


Los átomos típicamente absorben o emiten luz exclusivamente a ciertas frecuencias. La mecánica cuántica explica esta observación de una manera general al asociar con cada átomo (o molécula) estados de energía bien definidos. El átomo puede pasar de un estado a otro solo cuando se suministra (o elimina) energía en la cantidad que separa un estado de otro.
 

Las mediciones precisas de la luz emitida por los isótopos de un elemento muestran pequeñas pero significativas diferencias denominadas cambios por los espectroscopistas. En general, estos cambios son bastante pequeños. Se originan en efectos de estructura nuclear y de masa. Los efectos debidos a la masa son mayores para los isótopos ligeros. A medida que aumenta la masa nuclear, disminuyen en una cantidad aproximadamente proporcional a 1 / A2 y se vuelven insignificantes en los elementos más pesados.
 
Los efectos debidos a la estructura nuclear se relacionan principalmente con el momento angular, el momento magnético y el llamado momento cuadripolar eléctrico del núcleo. Este último mide las desviaciones de la esfericidad en la distribución de carga. El momento magnético y sus efectos acompañantes forman la base de la resonancia magnética nuclear (RMN), un campo que se ha vuelto muy importante en muchas ramas de la ciencia.
 


Una vez de interés principalmente para físicos académicos y químicos, los métodos de RMN ahora encuentran una aplicación generalizada en las instalaciones de imágenes médicas. En un experimento simple para RMN, se puede colocar un tubo lleno de metano líquido, 12C1H4, a baja temperatura, entre los polos de un imán externo muy fuerte. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, los ejes de los núcleos 1H pueden orientarse en una de las dos únicas direcciones posibles. Los "polos" del núcleo 1H pueden alinearse (aproximadamente) con los del imán externo, de norte a norte y de sur a sur; o los dos conjuntos de polos pueden oponerse entre sí, como cuando una aguja de la brújula se alinea con el campo magnético de la Tierra. La orientación anterior (N a N y S a S) tiene la energía más alta. Un núcleo 1H en el estado de menor energía puede pasar al estado de mayor energía absorbiendo la luz. Con los imanes que se usan hoy en día, la luz en la porción de ondas de radio del espectro electromagnético transporta la cantidad correcta de energía para causar las transiciones, es decir, voltear el núcleo en su eje. La tarea del espectroscopista de RMN es determinar con precisión qué frecuencias producen los cambios de giro nuclear y con qué probabilidad. Los resultados pueden informarse como "espectros de RMN", gráficos que muestran la probabilidad de que cualquier frecuencia de luz determinada induzca una transición. El gran poder de la RMN se deriva de la observación de que los espectros reflejan la estructura de la molécula estudiada, es decir, el enlace de los átomos dentro de la molécula. Por ejemplo, en la molécula metanol, CH3OH, tres átomos de hidrógeno se unen al carbono, C y un átomo de hidrógeno se une al oxígeno. O. Los picos amplios (baja resolución) en dos frecuencias diferentes en el espectro de RMN de protón del metanol muestran el existencia de dos ambientes químicos distintos para el hidrógeno La diferencia matemática entre frecuencias, ajustada para tener en cuenta la fuerza del campo magnético externo, es un ejemplo de lo que los espectroscopistas llaman un cambio químico. Los químicos se refieren a bibliotecas publicadas de cambios químicos tanto para identificar las sustancias presentes en muestras de composición desconocida como para inferir las estructuras de moléculas recién sintetizadas. Los núcleos populares para los estudios de RMN incluyen 1H, 13C, 15N, 17O y 31P.

 


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