Agrofi k zy a Wyk Wy ł k ad V Marek Kasprowicz

Transkrypt

1 Agrofizyka Wykład V Marek Kasprowicz

2 Spektroskopia p nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię ę rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Spektroskopia p jest też często ę rozumiana jako ogólna nazwa wszelkich technik analitycznych polegających na generowaniu widm. Widmo spektroskopowe to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Widmo, które powstało w wyniku emisji promieniowania przez analizowaną substancję bt albo na skutek kkontaktu kt z nią (przeszło ł przez nią lub zostało przez nią odbite), może dostarczyć szeregu cennych informacjio o badanej substancji.

3 Podział spektroskopii Szybki i wszechstronny rozwój spektroskopii k jako nauki teoretyczno-doświadczalnej spowodował, że przy omawianiu zarówno jej podstaw jak i specyficznych działów, konieczne jest stosowanie różnych kryteriów podziału. Najczęściej ę j za podstawę ę podziału spektroskopii p przyjmuje się następujące kryteria: rodzaj jpromieniowania właściwości układów materialnych, metoda otrzymywania widma, związana z formą wymiany energii między promieniowaniem i materią.

4 Podział spektroskopii ze względu na rodzaj promieniowania fale elektromagnetyczne elektrony neutrony sił atomowych fal akustycznych

5 Podział spektroskopii ze względu na rodzaj fl fal elektromagnetycznych lkt t spektroskopia kosmiczna zakres Å spektroskopia gamma Å spektroskopia rentgenowska Å spektroskopia optyczna w bliskim i próżniowym nadfiolecie nm w zakresie widzialnym nm w bliskiej podczerwieni cm -1 (800 nm - 2,5 µm) w średniej ji dalekiej jpodczerwieni cm -1 (2,5 µm 50 µm) radiospektroskopia w zakresie mikrofalowym w zakresie krótkofalowym w zakresie długofalowym cm m m

6

7

8 Podział spektroskopii według rodzajów ukladów Podział ł spektroskopii k według rodzajów układów, których widma badamy, jest znacznie ważniejszy, ponieważ dotyczy istoty, badanychw spektroskopii procesów. Z tego punktu widzenia, można rozróżnić następujące działy: spektroskopia jądrowa spektroskopia atomowa spektroskopia molekularna, ze szczególnym uwzględnieniem ę spektroskopii p układów skondensowanych obejmujących złożone związki organiczne, związki kompleksowe itp.

9 Rodzaje poziomów energetycznych 1. Poziomy elektronowe wynikające z ruchu elektronów względem jąder. Energie przejść między poziomami wewnętrznych powłok elektronowych są rzędu dziesiątków i tysięcy ev, o powstające widmo jest widmem rentgenowskim (elektrony powłok K, L). Natomiast rząd wielkości energii przejść między poziomami ipowłok ł zewnętrznych hjest równy tlk tylko kilku ev, a powstające widmo optyczne przypada nazakresy: widzialnyi i nadfioletu (częściowo także bliskiej podczerwieni).

10 Rodzaje poziomów energetycznych 2. Poziomy oscylacyjne cząsteczek związane z oscylacyjnym ruchem jąder w cząsteczkach wokół położeń równowagowych (ruch ten jest w przybliżeniu ruchem harmonicznym). Energie tych drgań wynoszą ev, a więc odpowiednie przejścia zachodzące pomiędzy poziomami oscylacyjnymi yj y występują w zakresie podczerwieni. Przejścia te bada się metodami spektroskopii w podczerwieni ramanowskiej. Poziomy te można również określić pośrednio, badając przejścia elektronowo oscylacyjne yj (tzw. widma wibronowe) w zakresach widzialnych i nadfioletu. Struktura elektronowo oscylacyjna tych widm jest związana z faktem, że przejściom elektronowym w cząsteczce ą towarzyszy yzmiana energii oscylacyjnej (a także, choć w znacznie mniejszym stopniu, zmiana energii rotacyjnej).

11 Rodzaje poziomów energetycznych 4. Poziomy struktury subtelnej związane z obecnością spinu elektronowego. Różnice energii mogą się wahać od dziesiętnych części do tysięcy cm 1. Przejścia te badane są w związku z tym metodami radiospektroskopii (zwłaszczadla lekkich atomów) lub w zakresie widzialnym a nawet nadfioletowym (w przypadkach, gdy powstaje w tych zakresach tzw. struktura multipletowa). 5. Poziomy struktury nadsubtelnej związane z obecnością spinu jądrowego. Powstają w wyniku sprzężenia elektrycznych i magnetycznych momentów jąder. Występujące w tych przypadkach różnice energii są bardzo małe i wynoszą od tysięcznych do dziesięciotysięcznych części ś cm 1 1. Odpowiednie d przejścia ś bada bd się metodami radiospektroskopowymi, a mianowicie metodami rezonansu magnetycznego i rezonansu kwadrupolowego. W obszarze mikrofalowym rozszczepienia te bada się metodą elektronowego rezonansu paramagnetycznego.

12 Rodzaje poziomów energetycznych 6. Poziomy energetyczne powstające w wyniku rozszczepienia poziomów swobodnych atomów i cząstek w zewnętrznym polu magnetycznym. Rozszczepieniu ulegają poziomy elektronowe i rotacyjne, a także poziomy struktury subtelnej. W pierwszym przypadkurozszczepieniarozszczepienia wynoszą kilka cm 1. Bezpośrednie obserwacje prowadzi się metodami rezonansu magnetycznego. Zjawisko dla zakresu UV VIS nosi nazwę zjawiska Zeemana. 7. Poziomy energetyczne powstające przy rozszczepienia poziomów swobodnych atomów i cząstek w zewnętrznym polu elektrycznym; tzw. efekt Starka. Rozszczepieniu ulegają poziomy elektronowe i rotacyjne wykazujące moment dipolowy. Wielkość rozszczepienia zależy od natężenia pola. Rozszczepienia te bada się metodami radiospektroskopowymi (rezonans elektronowy).

13

14

15

16 Podział spektroskopii według metod otrzymywania widma spektroskopia absorpcyjna spektroskopia emisyjna spektroskopia ramanowska spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego

17

18

19

20

21 I prawo absorpcji (prawo Lamberta)

22 II prawo absorpcji Prawo Lamberta-Beera: Dla równoległej ściśle monochromatycznej wiązki promieniowania elektromagnetycznego, w przypadku nieabsorbującego rozpuszczalnika, kiedy brak jest jakichkolwiek oddziaływań między cząsteczkami substancji absorbującej czy też między cząsteczkami tej substancji i rozpuszczalnika: absorbancja A jest proporcjonalna p do stężeniaę roztworu c i grubości warstwy absorbującej x A I I 0 = log = αxc m

23

24 Prawo addytywności absorbancji dotyczy roztworów i mieszanin wieloskładnikowych. Wyraża ono absorbancję całkowitąśrodowiska, A, jako sumę niezależnych absorbancji poszczególnych składników (A 1,A 2,...A n ) A = A1 + A n i= 1 A n = A i

25

26 Odstępstwa od praw absorpcji Wynikające z właściwości substancji Dyspersja yp ośrodka Zmiany temperaturowe Wpływ rozpuszczalnika Tworzenie się innych rodzajów cząsteczek Wynikające z klasy przyrządu Monochromatyczność wiązki detektory

27

28

29

30 Szerokość linii poszerzenia

31

32 Spektrometry i interferometry

33 Spektrometr pryzmatyczny

34 Zasada działania laserów

35 Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification i by Stimulated Emission of Radiation wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności.

36 Oddziaływanie fotonów z atomami

37 Budowa lasera Laser składa się z trzech głównych modułów: ośrodka czynnego materiału, który przetwarza energię na emitowane światło układu pompującego energię rezonatora zapewniającego sprzężenie ę zwrotne

38

39

40

41