Optické metody

E M

Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany

životního prostředí

Optické metody

E M



Rozdělení optických metod

• Nespektrální metody (refraktometrie, polarimetrie,..) - dochází při průchodu záření vzorkem pouze ke změnám jeho určitých vlastností - rychlost, rovina polarizace apod.

• Spektrální metody – založeny na výměně energie mezi látkou a elektromagnetickým zářením, závislost intenzity absorbovaného či emitovaného záření na vlnové délce, vznik spektra

E M



Vlastnosti elektromagnetického záření

• Duální charakter – některé vlastnosti jako vlnění, některé jako proud částic (tok fotonů)

• Popisující veličiny – rychlost c vlnová délka λ frekvence ν

energie fotonu ε

c

12 EEc

hh

E M



E M



Vznik spektra

• Absorpční spektrum - částice látky absorbuje foton a přejde přitom do vyššího energetického stavu (návrat do energeticky nižšího stavu se nesleduje)

• Emisní spektrum – dodáním energie (kinetické, tepelné) jsou částice látky převedeny do vyššího energetického stavu. Při zpětném přechodu se energie vyzáří ve formě fotonu

E M



Absorpce

• při absorpci záření nastává interakce elektrické složky světla s elektrickým polem molekuly

• elektrony se pohybují v orbitalech, jejichž energie jsou kvantovány

• podmínkou absorpce světelného záření je existence dalších energetických kvantových stavů molekuly - excitované stavy

• absorbuje-li molekula světelné záření, zaujmou elektrony vyšší energetické hladiny a dostanou se do excitovaného stavu

E M



Emise

• při emisi dochází nejprve k excitaci atomů nebo molekul na

vyšší energetickou hladinu

• poté se molekuly nebo atomy vrací do základního stavu a

přitom dochází k emisi záření (železo, hliník)

• luminiscence s krátkým dosvitem - označována jako

fluorescence ( 10-5 s)

• luminiscence s dlouhým dosvitem - fosforescence ( 10-4 s)

E M



Spektra

• Atomová spektra – jsou čárová (b), atomy určitého prvku mohou absorbovat nebo emitovat jen fotony určitých vlnových délek, λ je charakteristická pro daný prvek, prvky jsou přítomny ve formě atomů

• Molekulová spektra – jsou pásová (c), molekuly sloučenin mají velký počet možných energetických přechodů. Energie jednotlivých přechodů si jsou navzájem blízké a nelze je rozlišit.

E M



E M



Absorpční spektrometrie (spektrofotometrie)

• množství absorbovaného

záření závisí na celkovém

počtu absorbujících částic,

které interagují se svazkem

paprsků, a tedy také na

tloušťce absorbujícího

prostředí, kterým záření

prochází

E M



Pro tloušťku absorbující vrstvy platí

- transmitance

Ф0 – vstupující záření

Ф - vystupující záření

b - tloušťka absorpčního prostředí

c – koncentrace absorbujících částic

loglog 0

A0

bcaA Zákon Lambert-Beerův

E M



Platnost předešlého vztahu:

• dopadající záření musí být monochromatické• absorbující částice se vzájemně neovlivňují• dopadající svazek - rovnoběžné paprsky, kolmé

k povrchu absorbujícího prostředí• všechny paprsky procházejí ve vzorku stejnou dráhu• absorbující prostředí je homogenní a nerozptyluje

záření• tok záření není tak vysoký, aby způsobil saturační efekt

E M



Složení optických spektrofotometrů:

- zdroje (výbojka, žárovka, lampa) - pomocná optika (soustava čoček, clon, zrcadel,

odrazných hranolů apod.) - základní optika (rozkladné hranoly, ohybové mřížky,

zeslabovací zařízení, filtry, polarizační zařízení, kyvety atd.)

- detektory záření (oko, fotografická citlivá vrstva, fotonky, násobiče, fotoelektrické články)

Materiál optiky musí být v měřených oblastechvlnových délek dostatečně propustný.

E M



Uspořádání spektrofotometru

E M



Zdroj záření

• Wolframová žárovka - 350 až 3000 nm, citlivá na změny napětí, proto napětí musí být dobře stabilizováno.

• Halogenová žárovka - wolframová žárovka s obsahem malého množství jodu v křemenné baňce, 2x delší životnost než wolframová žárovka, spektrum je rozprostřeno až do UV oblasti, použití v mnoha spektrofotometrech.

• Deuteriová výbojka - ideálním zdrojem pro UV oblast záření, 160 až 375 nm.

E M



Detektor - fotonka

• skleněná banička se dvěma elektrodami

• opatřená okénkem propustným pro dané záření

• citlivou vrstvu fotokatody tvoří alkalický kov (Cs ve směsi s jiným kovem)

• na složení fotokatody závisí spektrální citlivost fotonky

• předností fotonky je vysoká stabilita, okamžitý signál, přesná linearita mezi dopadajícím tokem a proudem

E M



Použití spektrofotometrie

• viditelná oblast - stanovení kovů, kationtů či aniontů v roztoku, které jsou alespoň slabě zbarvené

• výhoda přístrojů - nízká cena, snadná mobilita zařízení pro různé provozní aplikace, možnost automatizace měření

• možnost měření oxidačních stavů iontů

• pro stanovení organických látek se využívá absorpce v ultrafialové, viditelné i infračervené oblasti

Documents

Optické metody