E M
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
Optické metody
E M
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
E M
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
E M
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
Uspořádání spektrofotometru
E M
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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
Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany
životního prostředí
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