Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Wstęp do Optykii Fizyki Materii Skondensowanej

Część I: Optyka, wykład 2

wykład: Piotr Fitapokazy: Andrzej Wysmołek

ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka

Wydział FizykiUniwersytet Warszawski

2013/14

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Plan

1 Podstawy spektroskopii

2 Spektroskopia w zastosowaniach

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Widmo światła

Rozkład pola elektrycznego na fale płaskie:

E(t) =1

2π

∫ ∞−∞

Ẽ(ω)eiωt dω

Amplitudy spektralne:

Ẽ(ω) =∫ ∞−∞

E(t)e−iωt dt

Widmo = ile mocy (energii) przypada na przedział częstości dω wokolicy częstości ω

Ĩ(ω) ∼ |Ẽ(ω)|2

(Przypomnienie: natężenie światła I(t) ∼ |E(t)|2)

(Szczegóły na tablicy)

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Jednostki w spektroskopii

Częstość kołowa: ω [1/s]

Częstotliwość: ν = 1T =ω2π [Hz]

Długość fali: λ = cν [µm, nm]

Energia: E = hν [J, eV, meV]

Liczba falowa: ν̃ = 1λ [cm−1]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia emisyjna i absorpcyjna

absorpcja emisja spontaniczna

1

2

I0(ν)

ν

ν

I(ν)

ν

A(ν) = log I(ν)I0(ν)

Badana próbka

widmo absorpcjiν

Iem(ν)

widmo emisji

źródło światła

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Badania struktury energetycznejŹródło informacji o budowie materii

[patlah.ru]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia absorpcyjnaBadania struktury energetycznej

↑ A portion of the polarisation spectrumof KCs recorded with circularlypolarised pump laser beam [...]

→ The IPA potential curve of the 41Πstate in KCs (circles) [...]

[J. Szczepkowski, A. Grochola, W. Jastrzębski, P.Kowalczyk, Chem. Phys. Lett. 576, 10 (2013)]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia absorpcyjnaAnaliza składu gazów

Analiza spalin silnika samochodowego

K.-P. Mollmann, M. Vollmer 2013 Eur. J. Phys. 34. S123

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia absorpcyjnaAnaliza składu gazów

Spaliny samochodu z lat 40-tych:

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia absorpcyjnaSensory chemiczne

Variation in the absorption spectra of 1 in water with increasing concentrationof ATP

[C. Li et al. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 6371]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia absorpcyjnaSensory chemiczne

Changes in the UV-vis absorption spectra of (A) sensor N2 and (B) sensor N3 (20 µM) in HEPES buffered aqueous

solution (20 mM, pH = 7.0) with increasing concentrations of Ag+ (0–200 µM) [T.Raj et al, RSC Adv. , 2014, 4, 5316]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia w astronomiiBadanie atmosfer gwiazd

Fraunhofer i jego spektroskop zbudowany w 1814 roku[http://www.jvfg-cham.de]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia w astronomiiBadanie atmosfer gwiazd

Widmo Słońca opisane przez Fraunhofera[American Institute of Physics]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia w astronomiiTypy widmowe gwiazd

[http://astrocosmosci.files.wordpress.com]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia w astronomiiOznaczanie wieku gwiazd

The spectrum of SMSS 0313-6708 shows andabsence of detectable Fe I lines (a) and isdominated by molecular features of CH (c).Panel b shows the vicinity of what should beone of the strongest iron lines in the UV/opticalwavelength region.

Brak linii absorpcyjnych żelaza pozwoliłstwierdzić, że jest to najstarsza znana obecniegwiazda[S. C. Keller et al, Nature 2014, 09.02.2014]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia w astronomiiBadanie składu gazu międzygwiezdnego

[tutorvista.com]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Spektroskopia w astronomiiBadanie składu atmosfery planety pozasłonecznej

[NASA]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Zastosowania spektroskopii fluorescencyjnejDetekcja śladowych ilości substancji

Wykrywanie materiałów wybuchowych

Excitation and emission spectra of 2,4-DAT + fluorescamine at various dilutions, blank-subtracted, and all bandpasses = 10 nm.

Fluorescamine

2,4-DAT

[Horiba Jobin-Yvon]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Zastosowania spektroskopii fluorescencyjnejCharakteryzacja materiałów – nanorurki węglowe

[United States Patent 7074310]

[Ceclilia Noguez, http://www.fisica.unam.mx] [Horiba Jobin-Yvon]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Zastosowania spektroskopii fluorescencyjnejMedycyna - identyfikacja nowotworów

Porównanie widm tkankizdrowej i nowotworowej:

[B. Mayinger, Am. J. Gastroenterol. 96, 2616 (2001)]

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Luminescencja w ciele stałym

1.59 1.60 1.61 1.62 1.63 1.64

PL in

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Energy (eV)

3xP0

Pexc=P0XX

X-

X

100xP0

d

s

p

Ga0.67Al0.33AsGa1-xAlxAsx

Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach

Luminescencja w ciele stałymWidma luminescencji polarytonów ekscytonowych

Polaryton ekscytonowy = foton silnie sprzężony z ekscytonem w mikrownęcepółprzewodnikowej . W wyniku sprzężenia dostajemy górny i dolny polaryton (górny owyższej i dolny o niższej energii). Na widmach widoczna jest luminescencja dlaróżnych kątów emisji (pędów polarytonu). [B. Piętka]

Podstawy spektroskopiiSpektroskopia w zastosowaniach