SPEKTROSKOPIE OPTICKÁ SPEKTROSKOPIE SPEKTROSKOPICKÉ METODY Optická spektroskopie • Elektromagnetické spektrum (někdy zvané Maxwellova duha) zahrnuje elektromagnetické záření všech možných vlnových délek. Elektromagnetické záření o vlnové délce λ (ve vakuu) má frekvenci f a jemu připisovaný foton má energii E. Vztah mezi nimi vyjadřují následující rovnice: ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ ELEKTROMAGNETICKÉ VLNĚNÍ SPEKTRÁLNÍ OBLASTI KLASIFIKACE 1 Radiové vlny 1.1 Extrémně dlouhé vlny 1.2 Velmi dlouhé vlny 1.3 Dlouhé vlny (DV) 1.4 Střední vlny (SV) 1.5 Krátké vlny (KV) 1.6 Velmi krátké vlny (VKV) 1.7 Ultra krátké vlny (UKV) 2 Mikrovlny 3 Infračervené záření 4 Viditelné světlo 5 Ultrafialové záření 6 Rentgenové záření 7 Gama záření SPEKTRUM ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁŘENÍ SPEKTRUM ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁŘENÍ SPEKTRÁLNÍ OBLASTI Radiové vlny • EXTRÉMNĚ DLOUHÉ VLNY • Extremely low frequency (ELF), o frekvencích 3 až 3000 Hz. • VELMI DLOUHÉ VLNY • Very low frequency (VLF), o frekvencích 3 až 30 kHz. • DLOUHÉ VLNY (DV) • Na DV vysílají rozhlasové stanice na frekvencích pod 500 kHz. • STŘEDNÍ VLNY (SV) • Mají frekvence 0,3 - 3 MHz a běžně se používají k přenosu rozhlasového vysílání. Medium Wave (MW). AM Amplitude Modulation - vztahuje se ke způsobu modulace signálu • KRÁTKÉ VLNY (KV) • High Frequency (HF), o frekvencích 3 - 30 MHz. • VELMI KRÁTKÉ VLNY (VKV) • Very High Frequency (VHF), o frekvencích 30 - 300 MHz. Na těchto vlnách se vysílá frekvenčně modulované rozhlasové vysílání a televizní kanály. • ULTRA KRÁTKÉ VLNY (UKV) • Ultra High Frequency (UHF), o frekvencích 0,3 - 3 GHz. Vysílají se na nich další televizní kanály. SPEKTRÁLNÍ OBLASTI Mikrovlny • Mikrovlnný rozsah spektra se dělí na oblasti • ultra-high frequency (UHF) (0.3-3 GHz), • super high frequency (SHF) (3-30 GHz), • extremely high frequency (EHF) (30-300 GHz). • Mikrovlny jsou absorbovány molekulami tekutin, jež mají dipólový moment, zvláště vody; toho se využívá k ohřívání v mikrovlnné troubě. Mikrovlny se rovněž využívají pro bezdrátovou komunikaci zvanou Wi-Fi. Infračervené záření • Společné názvosloví je založeno na poloze vlnové délky ve spektru (blízké infračervené záření = tepelné záření) • Jiné definice se řídí různými fyzikálními mechanismy (emisní maxima, pásma, vodní absorpce) • Nejnovější názvosloví akceptuje technické důvody: – křemíkové detektory - citlivé na vlnovou délku ~1050 nm, – InGaAs mezi 950 nm a 1700 až 2200 nm. Infračervené záření Infračervené záření pokrývá frekvence 300 GHz až 400 THz Infračervené (InfraRed - IR) záření je elektromagnetické záření o vlnové délce • delší než viditelné světlo, • kratší než mikrovlnné záření. • Název značí „pod červenou“ (z latiny infra = "pod"), • červená je barva viditelného světla o nejdelší vlnové délce. • Infračervené záření zabírá ve spektru 3 dekády • má vlnovou délku mezi 760 nm a 1 mm, • energii fotonů mezi 1,63 a 0,0012 eV. Infračervené záření »NIR - (0.7–5 µm) »MIR - (5–30 µm) »FIR (30–1000 µm) • U telekomunikačních vlnových délek je spektrum dále děleno do individuálních pásem kvůli omezením detektorů, zesilovačů a zdrojů. • Infračervené záření je často spojeno s teplem, protože objekty při pokojové teplotě nebo teplejší budou emitovat záření nejvíce soustředěné ve středním infračerveném pásmu . Viditelné světlo Záření o vlnových délkách 400 - 800 nm je viditelné světlo, které je absorbováno a emitováno elektrony v atomech a molekulách, když přecházejí mezi energetickými hladinami. Interakce záření s látkou • Absorpce 1 • Emise 2 • Luminiscence 3 Propustnost and barva Absorpce a komplementární barvy Difrakční mřížka Optická spektroskopie • Atomová (emisní, absorpční, fluorescenční) – Využívá záření vlnových délek charakteristických pro prvky. – Emise nebo absorpce záření atomem je dána kvantovanými změnami energie valenčních a subvalenčních elektronů v atomových orbitalech. • Molekulová (absorpční, fluorescenční) – Využívá záření vlnových délek charakteristických pro molekuly a jejich části. – Emise nebo absorpce záření molekulou je dána kvantovanými změnami vnitřní energie molekul a jejich částí (vazeb):elektron.stavy, vibrace, rotace ATOMOVÁ SPEKTROSKOPIE MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE • Soubor metod založených na využití těch vlastností molekul, které jsou spojeny s přítomností – KOVALENTNÍCH VAZEB – KOORDINAČNÍCH VAZEB • SPEKTRUM = závislost veličiny úměrné velikosti zářivého toku nebo jeho úbytku na veličině úměrné energii (λ,ν, ν^-1) MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE • Rozdělení metod podle: – Interakce látka « záření (mechanismus: translace, rotace, vibrace, přechod valenčního elektronu) – Spektrální oblasti (UV, Vis, IR, MW, RF …) – Signálu: • Emisní • Absorpční MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE INTERAKCE ZÁŘENÍ S LÁTKOU • Energie molekuly E[M]: – Vnitřní: • Energetické hladiny jader atomů [• ] Energetické hladiny elektronů E[E ]– Pohybová: • Translační: E[T] (není kvantována) • Rotační: E[R] (jen v plynném skupenství) [• ] Vibrační: E[V ] MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE [• ] E[M] = E[T] + E[R] + E[V] + E[E • ] E[E] > E[V] > E[R] > E[T ]Kvantovaná energie TH energetické hladiny: – Rotační TH přechody mezi rotačními stavy TH rotační spektra (MW) – Vibrační TH přechody mezi vibračními stavy TH vibrační spektra (IR) ΔE[V] » X.10^4 . ΔE[R ]– Elektronové TH přechody mezi elektronovými stavy TH [– ] elektronická spektra (UV-Vis) ΔE[E] » X.10^2 . ΔE[V ]Elektromagnetické spektrum UV-Vis spektroskopie Fotometrie [• ] Signál: zářivý tok Φ (W), dopadající Φ[0 ]– Emisní – Absorpční – Luminiscenční (fluorescenční, fosforescenční) • Transmitance T = (Φ/Φ[0]); (Φ/Φ[0])´100 (%) • Absorbance A = log(Φ[0]/ Φ)= -log T; 0-L-A -L-YEN Transmitance a délka absorbujícího prostředí zákon Bouguer-Lambert Transmitance a koncentrace zákon Beerův UV-Vis spektroskopie Bouguert-Lambert-Beerův zákon UV-Vis spektroskopie Bouguert-Lambert-Beerův zákon Bouguert-Lambert-Beerův zákon Elektronické přechody ve formaldehydu Vznik elektronických spekter