Ćwiczenie 72 M. Komorowska, L. Lewowska ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE Cel ćwiczenia: zapoznanie z budową i zasadą działania spektralnych przyrządów optycznych: pryzmatycznych i dyfrakcyjnych; wyznaczenie optycznych widm emisyjnych i absorpcyjnych, identyfikacja pierwiastka na podstawie znalezionych doświadczalnie długości fal linii widmowych tego pierwiastka, sprawdzenie prawa Bouguera–Lamberta–Beera, wyznaczenie stężenia roztworu na podstawie zmierzonych wartości ekstynkcji. Zagadnienia: poziomy energetyczne atomów i cząsteczek, energia wzbudzenia, widma (emisyjne, absorpcyjne, atomowe, cząsteczkowe), spektroskop, monochromator, spektrofotometr, prawo absorpcji światła, współczynnik absorpcji, ekstynkcja, molowy współczynnik ekstynkcji. 72.1. Wprowadzenie 72.1.1. Widma optyczne Zależność natężenia promieniowania elektromagnetycznego od częstości lub długości fali nazywamy widmem tego promieniowania. Widmo promieniowania, obejmujące zakres długości fal od ultrafioletu poprzez przedział widzialny do podczerwieni, nazywane jest widmem optycznym i ono będzie przedmiotem dalszych rozważań. Widma optyczne dzieli się na widma emisyjne (widmo światła wysyłanego przez daną substancję) i widma absorpcyjne. Z kolei, zarówno widma emisyjne, jak i absorpcyjne, dzieli się na widma liniowe, pasmowe i ciągłe. 36 Eksperymentalnie rozkład promieniowania na składowe monochromatyczne realizuje się za pomocą przyrządów spektralnych, np. takich jakie opisano w § 72.2. Oświetlając badanym światłem szczelinę wejściową spektroskopu lub spektrografu otrzymuje się zbiór obrazów szczeliny, odpowiadających różnym długościom fal. Zależnie od rodzaju substancji emitującej światło obrazy szczeliny: a) są rozdzielane i maja postać wąskich, ostrych, barwnych prążków, tzw. linii widmowych (stąd nazwa – emisyjne widmo liniowe), b) wskutek ich zagęszczenia w pewnych obszarach, tworzą barwne pasma (emisyjne widmo pasmowe), c) częściowo nakładają się na siebie tworząc zbiór barw przechodzących, w sposób ciągły, jedna w drugą (emisyjne widmo ciągłe). Jeżeli między źródłem promieniowania o widmie ciągłym a szczeliną wejściową przyrządu spektralnego umieścimy ciało, które pochłania światło o określonych długościach fal (warstwa gazu, cieczy lub ciała stałego), to na barwnym tle pochodzącym od źródła promieniowania ciągłego obserwuje się wąskie, ciemne prążki (liniowe widmo absorpcyjne) lub ciemne pasma (pasmowe widmo absorpcyjne) lub ciągłe, ciemne przedziały widma (absorpcyjne widmo ciągłe). Promieniowanie o widmie ciągłym emitowane jest przez ogrzane do wysokiej temperatury ciała stałe i ciecze (np. stopione metale), a także gazy
(…)
… przez
ośrodki jednorodne, a więc takie, w których osłabienie wiązki światła wskutek
rozpraszania jest znikomo małe. Przy tym założeniu, suma natężeń światła –
odbitego
Ir
(r – reflection),
pochłoniętego
Ia
(a – absorption)
i przepuszczonego I t (t – transmission) jest równa natężeniu światła
padającego I 0
I0 = Ir + Ia + It .
(72.6)
Powyższa relacja wynika z zasady zachowania energii – natężenie
promieniowania…
… widzialnemu, ultrafioletowemu lub bliskiej
podczerwieni. Przejście do stanu podstawowego może następować
bezpośrednio lub poprzez stany pośrednie. Częstość drgań ν emitowanego
promieniowania związana jest z różnicą energii stanów, między którymi
następuje przejście promieniste wzorem
∆E = E2 − E1 = hν = h
c
λ
,
(72.1)
w którym h oznacza stałą Plancka, c – prędkość światła w próżni, λ – długość
fali…
… od pierwszej powierzchni ograniczającej próbkę, IR2 – natężenie światła odbitego od drugiej powierzchni
ograniczającej próbkę, It – natężenie światła po przejściu przez próbkę, dl – grubość elementarnej warstwy próbki
Równanie (72.8) przedstawia różniczkową postać prawa Lamberta. Można
je rozwiązać metodą rozdzielenia zmiennych
I2
l
dI
= k ∫ dl ,
I
I1
0
−∫
skąd otrzymujemy
ln
I2
= − kl ,
I1
(72.9)
oraz
I 2…
… światło jest roztwór (w nie pochłaniającym światła
44
rozpuszczalniku), to zazwyczaj współczynnik pochłaniania jest proporcjonalny
do koncentracji c rozpuszczonej substancji
k = c⋅ K ,
(72.13)
gdzie c jest stężeniem [ kmol / m 3 ], K zaś nazywa się molarnym
współczynnikiem absorpcji. Zatem w przypadku roztworów równanie (72.9)
ma postać
ln
I2
= −K ⋅ c ⋅ l .
I1
(72.14)
Jest to prawo Lamberta–Burgera–Beera…
… – urządzenie monochromatyzujące (monochromator) I0 – natężenie wiązki światła padającej na próbkę, K – badana
substancja, K0 – próbka porównawcza, D – detektor, W – wzmacniacz, R – miernik
Spektrofotometry pracują w bardzo szerokim zakresie promieniowania
elektromagnetycznego od mikrofal po wysokoenergetyczne promieniowanie X
i ###. Zastosowanie laserów umożliwiło rozwój nowych technik spektralnych
takich…
… wyskalowany w jednostkach transmisji i ekstykcji,
2 – potencjometr „0”, 3 – potencjometr „100”, 4 – pokrętło monochromatora (regulacja długości fali), 5 –
otwieranie i zamykanie szczeliny wyjściowej, 6 – fotoogniwo, 7 – przesuwny uchwyt z próbką badaną i
porównawczą
72.3. Zadania do wykonania
A. Spektroskop
1. Skalowanie spektroskopu.
Aby spektroskop mógł być wykorzystany do pomiarów ilościowych, należy…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)