¿Por qué el agua absorbe fácilmente la radiación THz?

Se afirma que el agua es extremadamente sensible a la radiación de THz, absorbiendo grandes cantidades de esta radiación, razón por la cual las mediciones de la piel son seguras para realizarlas utilizando este rango de frecuencias (1) (2) ( 3 )

Pero no encuentro una buena explicación de por qué esto es así.

El último enlace establece que la razón detrás de la absorción de THz por el agua es " debido a la transición rotacional de las moléculas de agua polares ", pero no entiendo esta afirmación.

Mi entendimiento:

Las vibraciones de las moléculas de agua comprenden un rango de frecuencias en el rango de THz, por lo que cuando la radiación de una frecuencia específica golpea una molécula de agua que vibra en esa misma frecuencia, hace que "absorban" la radiación.

Esto todavía no explica por qué absorben la radiación y no entiendo por qué.

Probablemente necesite aclarar el nivel de "por qué" que desea. Una respuesta razonable pero inútil puede ser: "Podemos modelar la interacción de una molécula de H2O con fotones de THz utilizando un modelo electrodinámico cuántico, y resulta que es probable que absorba esos fotones. Entonces, esperaríamos que una molécula de agua real actúe de esa manera como Bueno". Parafraseando a Pratchett: "Debido a la cuántica". ¿Qué consideraría una respuesta satisfactoria? ¿Qué nivel de detalle necesita? En los términos más simples, hay transiciones de estado de electrones que se superponen con energías de fotones de THz.
Gracias por ayudar. Un nivel de comprensión de posgrado sería excelente, estoy comenzando un doctorado pronto en esta área y sé que las imágenes de la piel se usan debido a esto, pero no entiendo cómo las moléculas de agua pueden simplemente absorber la radiación y no ser ionizado, y lo que hace que las moléculas de agua sean tan buenos absorbentes.
La radiación THz no es especial en ese sentido, tampoco lo es una molécula de agua. ¿Por qué alguna molécula puede absorber algo de luz sin ionizarla? Sabemos que sucede y es muy común: la luz del sol no ioniza la madera, por ejemplo :) Debería darle un buen punto de partida.

Respuestas (1)

Parece que estás tratando de hacerte una idea de por qué sucede, no tanto para hacer cálculos matemáticos.

Imagina una molécula de agua. Tiene la forma de una V poco profunda. Vibra de todas las formas posibles: los brazos se alargan y acortan, el ángulo varía, todo gira alrededor de tres ejes y todas sus combinaciones, etc. Cada tipo de vibración tiene una frecuencia resonante donde es particularmente bueno para absorber energía y luego irradiarla de nuevo.

Ahora imagina una segunda molécula. Uno de los hidrógenos está cerca de la base de la V del primero, donde está el oxígeno. Algunos se atraen porque tienen cargas opuestas y están más cerca uno del otro que de cualquier otra cosa excepto de las otras partes de sus propias moléculas. Esto se llama enlace de hidrógeno. Es una fuerza más débil que los enlaces covalentes, pero está ahí. De vez en cuando, ese hidrógeno se acercará lo suficiente como para que no quede claro cuál de los tres hidrógenos está unido covalentemente a ese oxígeno. Y luego uno de ellos se dejará llevar por otro lado, y hay 2/3 de posibilidades de que sea uno de los otros. La molécula de agua ha cambiado. Las moléculas de agua a temperatura ambiente se rompen y se reforman continuamente como los millenials en un bar de solteros.

Así que cada uno de los otros enlaces tiene su frecuencia de resonancia. Pero estos enlaces de hidrógeno varían aleatoriamente en su distancia y fuerza. No tienen una sola frecuencia de resonancia, están esparcidos por todos lados.

Hay más, pero eso es un comienzo.

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