ALGUMAS APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA ÓPTICA XV Semana de Física - UFJF Outubro/2004 Maria José...

ALGUMAS APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA ÓPTICA

XV Semana de Física - UFJF

Outubro/2004

Maria José V. Bell, DF-UFJF

Índice• O que é espectroscopia óptica

• Radiação UV-VIS-IR

• Elementos básicos experimentais

•Técnicas experimentais e exemplos de aplicações

• Absorção, transmissão,

• Absorção infravermelha

Ondas Eletromagnéticas

E=hc/

Radiação UV-Vis-IR

Espectro Eletromagnético

Espectroscopia Óptica Consiste na interação de radiação (na faixa do UV,

Vis e IR) com a matéria (sólido, líquido ou gás). Esta interação pode ocorrer via absorção,

espalhamento, emissão ou reflexão da luz incidente.

Io

IR IT

AmostraIE

Io: Intensidade Incidente

IR: Intensidade Refletida

IT: Intensidade Transmitida

IE: Intensidade Espalhada

Io=IT+IR+IE+IA

Intensidade

Absorvida

Elementos básicos:• Fontes de luz: laseres e lâmpadas

• Elemento dispersor: grade de difração ou prisma

• Detector: fotodiodo, fotomultiplicadora, CCD

• Amostra: sólido, líquido ou gás.

Laser

Fontes de luzLâmpadas: Espectro contínuo

Emissão de Corpo Negro

Lei de Planck

Laseres:Gasosos, de Estado Sólido e líquidos (Dye lasers)

1. Gasosos: He-Ne, Argônio (Ar+), Kriptônio, He-Cd, N2, CO2, etc.

2. De Estado sólido: Laseres de diodo, Ti:Safira, Nd:YAG, etc.

3. Líquidos: corantes, desde o UV até o infravermelho, com variação contínua, mudando o corante.

sen + sen = mD

N

Poder de resolução da

rede:

m

O Elemento Dispersivo:Monocromador

Faixa de sensibilidade

Detector     (  m)

Si 0.2 - 1.1

Ge 0.4 - 1.8

InAs 1.0 - 3.8

InSb 1.0 - 7.0

InSb (77K) 1.0 - 5.6

HgCdTe (77K) 1.0 -25.0

Fotodiodos p

nEg

E

p

p

n

E

p

V

V-V

Fotomultiplicadora

Faixa de operação: 110-1100 nm

Eficiência Quântica: 1-10%

Tempo de resposta: 1-20 ns

1 2 3 4 5

(b)

1 2 3 4 5

2

1

(c)

CCD- Charge Coupled Device

Características:

1) 1024 ou 2048 pixels

2) Eficiência quântica de ~60%

3) Alta sensibilidade

4) Tamanho:

~ 25 mm

Tipos de Amostras: 1) Sólidos

Ene

rgia

BV

BC

Isolante

Eg

BV

BC

Metal

Eg

BV

BC

Semicondutor

Eg

Eg > 5eV Eg < 1eV Eg entre ~1eV e

5eV

E=hc/

2) Moléculas (diatômicas)

R

Níveis vibracionais

Níveis Eletrônicos

Átomo de Bohr

Absorção e Emissão

Faixas de Energias da Espectroscopia óptica

Níveis Eletrônicos

~1eV

UV-VISNíveis Rotacionais< 10 meVNíveis Vibracionais

~10 - 100meVIR

TÉCNICA DE ABSORÇÃO E REFLETÂNCIA

Absorbância (A): A=logIo/IT

Refletância R: =IR/Io

Transmitância (T): T=IT/Io

Lei de Beer: IT()=Io()e-L

=A/(Llog(e))

L

IT

IO

IR

R=IR/Io

Absorção Infravermelha

Número de Onda (=1 ) (cm-1)

3 2,4

Tra

nsm

issã

o

Algumas bandas de absorção típicas

Aplicação 1: Gases na atmosfera

Emissão solar

Comprimento de onda ( m)

Inte

nsid

ade

(W/m

2 m

)

Por

cent

agem

de

ener

gia

abso

rvid

a

Aplicação 2: Sensoriamento remoto

Ref

letâ

ncia

(%

)

Canal 1

Canal 2

Canal 3

Fonte:EUMETSAT

Comparação da refletância do solo nos 3 canais

Comparação da refletância das folhas nos 3 canais

Canal 1: 0.6 m

Canal 2: 0.8 m

Canal 3: 1.6 m

Ref

letâ

ncia

Sensoriamento remoto

Superfície da TerraEm 0.8 m há uma melhor

definição entre estruturas de superfície devido à alta refletância do solo e das folhas.

0.6 m 0.8m

Canal 1: 0.6 m

Canal 2: 0.8 m

Comprimento de onda (m)

0.6 0.8 1.6

Gelo/neve:baixa refletividade

Núvens: alta refletividade

Fonte: EUMETSAT

Refletividade do Gelo/neve e Núvens em 1.6 m

• Núvens de água e núvens de gelo

Gelo/neve

Núvem

Superfície Lunar –dados da Apolo 14

Transmissão do leite

450 500 550 600 650 7000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Leite Semi Desnatado Marca A Leite Desnatado Marca A Leite Integral Marca A

Tra

nsm

itânc

ia

Comprimento de onda (nm)

Marca A: Parmalat

Absorção de Água Líquida

Coe

fici

ente

de

abso

rção

(

cm-1)