Laboratorio di Fisica Moderna I L. Cristofolini

Spettroscopia UV-visibile

Cosa si misura: Trasmittanza ed Assorbanza Molti composti assorbono la radiazione elettromagnetica nelle regioni del visibile (vis) e dell’ultravioletto (UV). Nel diagramma sottostante (wikipedico) si mostra come, avendo un fascio di intensità I0 incidente sul campione, troviamo una intensità I1 dopo l’attraversamento del

campione.Questo processo può essere rappresentato da diverse grandezze:

Transmittanza, T = I1 / I0

Transmittanza percentuale, %T = 100 T

Absorbanza, A = log10 I0 / I1 A = log10 1 / T

A = log10 100 / %T A = 2 - log10 %T

In particolare l’ultima relazione ci consente di trasformare la trasmittanza in assorbanza. La relazione tra queste quantità è illustrata anche nel diagramma sottostante:

E’ evidente che le due grandezze sono utili in contesti diversi: se stiamo trattando il caso in cui gran parte della luce è assorbita, converrà parlare di assorbanza, se viceversa gran parte della luce è trasmessa, parliamo di trasmittanza. ATTENZIONE: La luce incidente sul campione può essere invece riflessa, o in certi casi diffusa. In tutti questi casi è errato interpretare come assorbanza la misura di I1 / I0 . Bisogna porre attenzione a cosa accade nel nostro campione, e non fidarsi ciecamente di quello che può dire lo strumento!!!

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La legge di Lambert-Beer. Con questo nome si indica una legge empirica che esprime l’assorbanza A di una soluzione in funzione del coefficiente d’estinzione molare εεεε (unità di L/mole/cm), la lunghezza della cammino ottico l (in cm), e la concentrazione c della soluzione (in mole/L)

A====εεεεlc

Questa è un caso particolare della più generale legge che descrive l’assorbimento di parte della radiazione incidente su uno strato di spessore l di un mezzo. Il rapporto tra le intensità della luce incidente (I0) e trasmessa (I1) è espresso dalla seguente relazione

dove kλ è detto coefficiente di estinzione ed è una costante tipica del mezzo attraversato per la lunghezza d'onda λ. In questo caso l’assorbanza A è per definizione:

10log k lA e λ=

10log ( )A e k lλ= ⋅

Cioè l’assorbanza dipende linearmente da l ed a kλ. Ecco perché si è definita l’assorbanza come logaritmo.

Il coefficiente d’estinzione molare εεεε, per un colorante come il β-carotene vale all’incirca 100000 L/mol/cm, per il colorante azobenzene è circa 50000 L/mol/cm, mentre per lo ione Cu2+ del CuSO4 è solo 12-13 [Appl. Spectr 45, 723, 1991]: la soluzione infatti appare molto colorata a causa dell’elevata solubilità del sale. ATTENZIONE: La legge di Lambert-Beer di per sé può essere estrapolata a regimi di assorbanza molto elevata, a cui l’intensità di luce dopo il campione può non essere più misurabile....

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Come funziona lo spettrofotometro Jasco V-550 Sorgente luminosa: per coprire l’intero range di misura, da 190nm a 900nm, ci sono due lampade, una a filamento di tungsteno (W) per il visibile, una a Deuterio per l’UV. Il sistema decide quale usare a seconda della lunghezza d’onda a cui si lavora. La lunghezza d’onda a cui avviene il cambio è 350nm (selezionabile via software). La selezione avviene tramite uno specchio mobile a due posizioni, che convoglia la luce verso la fenditura di uscita (a sinistra nella foto).

Monocromatore: La luce viene poi monocromatizzata tramite un reticolo di diffrazione ed una fenditura, di larghezza selezionabile: più la fenditura è stretta e maggiore è la selettività in λ, ma minore sarà la quantità di luce utilizzabile nella misura.

specchio

Deuterio

W

Reticolo di diffrazione

Ruota che seleziona la fenditura

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Chopper: Il chopper ha tre settori: uno specchio riflette la luce, uno nero l’assorbe,ed uno forato la trasmette. Mantenendo in rotazione il chopper, la luce viene inviata alternativamente attraverso il vano porta campioni, attraverso il riferimento, o viene soppressa per misurare la corrente di buio del fototubo usato come detector. Vano porta campioni e riferimento. Possono ospitare ciascuno una couvette di 1 cm di lato.La temperatura del campione è controllabile usando un bagno termostatato esterno.

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Detector: è il fotomoltiplicatore (Hamamatsu, R928) illustrato nella foto a fianco. La parte fotosensibile è un catodo la cui superficie è ricoperta da una lega contenente diversi metalli alcalini, per ottenere un range di sensibilità esteso da 185 a 900nm. La curva di risposta è illustrata qui sotto.

Inoltre, per estendere il range dinamico, lo spettrofotometro implementa un meccanismo di feed-back che regola la tensione dei dinodi in funzione dell’intensità di illuminazione.