Espectros Electrónicos y el Principio de Franck-Condon

Las transiciones electrónicas en las moléculas producen sistemas de bandas en el visible y el ultravioleta, cuya estructura vibracional se rige por el principio de Franck-Condon.

Definition

Los espectros electrónicos son los sistemas de bandas producidos cuando una molécula cambia de estado electrónico, típicamente en el visible o ultravioleta; el principio de Franck-Condon establece que, dado que las transiciones electrónicas son rápidas en comparación con el movimiento nuclear, ocurren verticalmente en el diagrama de energía potencial y favorecen los niveles vibracionales finales cuyas funciones de onda se superponen mejor con la inicial.

Scope

Este tema cubre la espectroscopia electrónica molecular: transiciones entre estados electrónicos acompañadas de cambios en los números cuánticos vibracionales y rotacionales, los sistemas de bandas vibrónicas resultantes y el principio de Franck-Condon que predice qué componentes vibracionales son los más intensos. Trata la absorción y la emisión (fluorescencia y fosforescencia), el papel de la geometría de la superficie de energía potencial y cómo los espectros electrónicos revelan la estructura del estado excitado.

Core questions

• ¿Por qué las transiciones electrónicas moleculares aparecen como bandas en lugar de líneas únicas?
• ¿Qué dice el principio de Franck-Condon sobre las intensidades de transición?
• ¿Cómo la geometría cambia entre estados electrónicos da forma a la envoltura de la banda?
• ¿En qué se diferencian la absorción, la fluorescencia y la fosforescencia?

Key concepts

• Transiciones vibrónicas
• Sistemas de bandas y progresiones
• Principio y factores de Franck-Condon
• Transiciones verticales
• Fluorescencia y fosforescencia
• Geometría del estado excitado

Key theories

Estructura de bandas vibrónicas

Una transición electrónica va acompañada de cambios en los números cuánticos vibracionales y rotacionales, por lo que una única transición electrónica aparece como un sistema de bandas, siendo cada banda un componente vibracional que lleva una estructura fina rotacional.

Principio de Franck-Condon

Debido a que los electrones se reorganizan mucho más rápido de lo que se mueven los núcleos, las transiciones son verticales y la intensidad de cada componente vibracional es proporcional al cuadrado de la superposición (factor de Franck-Condon) de las funciones de onda vibracionales inicial y final.

Clinical relevance

Los espectros electrónicos y el análisis de Franck-Condon sustentan la espectroscopia ultravioleta-visible y la fluorescencia utilizadas en química y biología, incluyendo el marcaje y la imagen fluorescentes, la caracterización de colorantes y materiales fotovoltaicos, y la identificación remota de especies electrónicamente excitadas en llamas y la atmósfera superior.

History

Franck propuso en 1925 que los núcleos permanecen esencialmente fijos durante una transición electrónica, y Condon dio a la idea una forma cuántico-mecánica cuantitativa en 1926-1928 a través de las integrales de superposición ahora llamadas factores de Franck-Condon. El principio se volvió central para interpretar los espectros de bandas moleculares y la dinámica de los estados excitados.

Key figures

• James Franck
• Edward Condon
• Gerhard Herzberg

Seminal works

• condon1928
• herzberg1950

Frequently asked questions

¿Por qué las transiciones electrónicas se dibujan como líneas verticales?

En un diagrama de energía potencial con la separación nuclear en el eje horizontal, el principio de Franck-Condon dice que los núcleos apenas se mueven durante la rápida transición electrónica, por lo que la transición se representa mediante una línea vertical en la geometría nuclear inicial.

¿Qué es un factor de Franck-Condon?

Es el cuadrado de la integral de superposición entre las funciones de onda vibracionales de los estados electrónicos inicial y final. Estos factores determinan las intensidades relativas de los componentes vibracionales dentro de un sistema de bandas electrónicas.