Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Záření II Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec,
[email protected]
dale kohl
r o t á m koli (hranol, mřížka) štěrbina
Přednášky z : Textilní fyzika
ed
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
SPEKTRA LÁTEK I • Zářící zdroje vysílají záření závislé na jejich chemickém složení a fyzikálních vlastnostech. • Záření má různé druhy optických spekter. • Soustava spektrálních čar daného prvku je pro každý prvek (atom) charakteristická jako otisk prstu každého člověka. • Spektrum vysílaného zdroje získáme rozkladem na monochromátoru (obvykle optickém hranolu nebo optické mřížce).
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
SPEKTRA LÁTEK II SPEKTRA LÁTEK vznikají buď vyzařováním světla (emisní spektra) nebo pohlcování světla (absorpční spektra). EMISNÍ SPEKTRUM Soubor frekvencí elektromagnetického záření vyzařovaného látkou
– rozdělení emisních spekter:
a) Spojité spektrum b) Čárové spektrum c) Pásové spektrum Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Spojité spektrum - obsahuje elektromagnetické vlny všech vlnových délek v určitém intervalu zdroj: rozžhavené pevné a kapalné látky(např. vlákno žárovky, roztavené kovy,…)
Čárové spektrum - tvořené úzkými, navzájem oddělenými spektrálními čárami o různé intenzitě zdroj: výboj v plynu za sníženého tlaku, jiskrový výboj
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
emisní spektrum vodíku
emisní spektrum uhlíku
emisní spektrum síry
emisní spektrum sodíku
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Vliv rozlišení spektrometru emisní spektrum sodíku
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
emisní spektrum směsi par kadmia, rtuti a zinku
Pásové spektrum - tvořené pásy s množstvím spektrálních čar těsné blízkosti, mezi nimiž jsou temné úseky zdroj: zářící molekuly látek
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
ABSORPČNÍ SPEKTRUM Soubor temných čar (pásů ve spojitém spektru světla), které vznikají při pohlcování záření látkou – rozdělení absorpčního spektra:
a) Čárové spektrum b) Pásové spektrum – na rozdíl od emisních spekter nemusíme vzorek látky rozžhavit na velmi vysokou teplotu - sloučíme-li emisní a absorpční spektrum stejné látky, získáme spektrum spojité Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
SPEKTRUM SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ obsahuje velké množství absorpčních čar (kolem 20 000)
Fraunhoferovy čáry Temné čáry ve spektru slunečního záření, které vznikají absorpcí slunečního záření určitých vlnových délek při jeho průchodu chromosférou Slunce a atmosférou Země. Joseph Fraunhofer (1787 – 1826) Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Absorpce elektromagnetického záření atmosférou • Zemská atmosféra propouští v podstatě pouze radiové vlny a vizuální oblast spektra
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Prostup světla látkou
• při prostupu světla látkou prochází pouze jeho část nezměněná v „původním“ směru; zbytek se může buď rozptýlit, nebo absorbovat. • optické metody jsou založeny na interakci elektromagnetického záření s částicemi látky, kterou záření prochází.
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Absorpce energie I
hν = E2 − E1 = h.c
Závisí na typu přechodu do vyšších energetických hladin a odpovídajícímu rozsahu frekvencí absorbovaného záření. – Rotační stav. – Vibrační stav. – Excitace valenčních elektronů.
Přednášky z : Textilní fyzika
λ
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Absorpce energie II
Stav, kdy n = 1 je základní stav vodíku E1 = – 13,6 eV – je to záporně vzatá energie atomu vodíku. Energii 13,6 eV musíme atomu dodat, aby se ionizoval. Stavy s vyšší energií jsou excitované stavy vodíku. Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Absorpce energie III
U molekul je nutné brát v úvahu rovněž vibrační a rotační stupně volnosti těchto částic. Přechody elektronů jsou doprovázeny excitací vibračních a rotačních hladin molekuly. Výsledné absorpční spektrum je pásové. Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
SPEKTRÁLNÍ ANALÝZA metoda studia chemického složení látek, která je založena na poznatku, že poloha čar ve spektru umožňuje přesně určit obsah chemických prvků ve zkoumané látce - zjišťuje vlnové délky světla, které vyzařuje určitý zdroj. - používá: spektroskop rozloží složené světlo na jednotlivé barvy
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Transmitance Transmitance T (propustnost)
T = I / Io
- má hodnoty od 0 - 1 (0 – 100%) T = 0 → prostředí nepropouští světlo vůbec T = 1 → prostředí propouští všechno světlo
l I0
I
dl L Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Transmitance
Bouguer-Lambertův zákon
− dI λ = kλ I 0λ dl − dI λ = kλ dl I 0λ Tloušťka Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Beerův zákon
Transmitance
− dI λ ' = kλ dc I 0λ
Koncentrace Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Lambert-Beerův zákon Základním vztahem pro absorpční fotometrii je zákon Lambert-Beerův.
A = − log T
A = − log10
− εcl
A = εcl A = absorbance
ε = molární absorpční koeficient pro danou vlnovou délku c = koncentrace roztoku l = délka optické dráhy (tj. tloušťka vrstvy roztoku) Absorbance je přímo úměrná koncentraci c a tloušťce vrstvy l. Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Stanovení obsahu látky ve vzorku s použitím kalibračního grafu (křivky) Grafickým znázorněním Lambert-Beerova zákona je přímka, která prochází počátkem. Hodnota koncentrace c se vynáší jako nezávisle proměnná na osu x a absorbance A jako závisle proměnná na osu y. Absorpční koeficient ε je směrnicí přímky. Sestrojení kalibračního grafu ● připravit obvykle 5 – 7 standardních roztoků, které mají přesně známou koncentraci + roztok vzorku o neznámé koncentraci + slepý vzorek. ● změřit absorbance těchto roztoků při vhodné λ. ● sestrojit kalibrační křivku z naměřených hodnot. ● odečíst z této křivky koncentraci látky ve vzorku Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Absorbance vs. koncentrace
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Slepý vzorek je složen ze všech použitých rozpouštědel a činidel použitých při zpracování vzorku, chybí jen stanovovaná látka.
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Schéma spektrofotometru Všechny fotometry a spektrofotometry sestávají ze tří základních částí: a) zdroj zářivé energie (VIS a UV) b) filtr nebo mřížka pro izolaci úzkého pásma světla o určité vlnové délce c) detektor měřicí zářivou energii propuštěnou vzorkem
zdroj
čočka
štěrbina monochromátor
Vzorek (kyveta)
Přednášky z : Textilní fyzika
detektor
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Dvoukanálové spektrofotometry
Výhoda oproti jednokanálovým systémům: eliminace driftu světelného zdroje Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
UV Záření a měření ochranných vlastností textilií I
Sluneční záření nemá pouze pozitivní účinky, může i škodit! Nárůst počtu onemocnění rakovinou kůže (melanom) Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
UV Záření a měření ochranných vlastností textilií II
Pozor ochranný faktor SPF 30+ oproti SPF 15+ neznamená možnost dvojnásobné doby pobytu na slunci!!! (SPF 30+ pohlcuje 96% UV záření; SPF 15+ pohlcuje 93%.)
Transmise: BAVLNA-průměrné hodnoty 25
Tλ
20
T%
15
10
5
0 280
300
320
340
360
380
400
nm bez úpravy Kachbrite-P slepa vzorka
kachbrite-Ba slepa vzorka Kachbrite-P 0,05%
Kachbrite-Ba 0,05% Kachbrite-P 0,1%
Kachbrte-Ba 0,1%
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Infračervená spektroskopie (IČ, IR) I • záření infračervené oblasti (1000 - cca 20 000 nm) vyvolání přechodů vibračními a rotačními stavy molekul, charakteristické pásy pro jednotlivé funkční skupiny Celá infračervená oblast bývá rozdělena • blízká IR oblast (13000 - 4000 cm-1) NIR • střední IR oblast (4000 - 200 cm-1) MIR nejpoužívanější • vzdálená IR oblast (200 - 10 cm-1) FIR • analýza vibračních a rotačních stavů - informace o typech uskupení atomů v molekulách • IČ spektrum - charakteristické pro danou sloučeninu Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Infračervená spektroskopie (IČ, IR) II Molekula se může pohybovat různým způsobem: V prostoru určitým směrem a rychlostí translační pohyb, je spojen s kinetickou energií molekuly 1 2 1 1 1 mν = mxν 2 + m yν 2 + mzν 2 2 2 2 2 – existují 3 translační stupně svobody EK =
Rotace podle jisté vnitřní osy - rotační pohyb, spojen s kinetickou rotační energií – existují 3 rotační stupně svobody 1 1 1 2 2 EK = I xωx + I yω y + I zωz2 2 2 2 Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Infračervená spektroskopie (IČ, IR) III
Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
Ramanova spektroskopie • při průchodu světla prostředím část světla rozptýlena (část absorbována, část beze změny projde) • převážná část rozptýleného světla - rozptyl beze změny frekvence (vlnové délky) - Rayleighův rozptyl - dokonale pružná srážka fotonu s molekulou elastický rozptyl, nemění se frekvence • v malé míře - rozptyl doprovázen změnou λ = Ramanův jev: - nepružná srážka fotonu s molekulou - foton část své energie předá nebo jistou energii přijme Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
ve spektru se objeví čáry s vyšší a nižší frekvencí než frekvence dopadajícího světla Ramanovy frekvence nezávisí na frekvenci dopadajícího záření (záleží na vzdálenosti vibračních a rotačních hladin v měřené látce) využití Ramanovy spektroskopie: • strukturní analýza (potvrzení funkčních skupin) • studium velikosti krystalů • analýza znečištění životního prostředí (plyny) • studium vesmíru (atmosféra vesmírných těles, povrch hornin) Raman. spektroskopie se doplňuje s IČ spektroskopií Přednášky z : Textilní fyzika
Viková, M. : ZÁŘENÍ II
IR a Ramanovo spektrum
Přednášky z : Textilní fyzika