Newton kísérletei a fehér fénnyel

1. Sir Isaac Newton (1642–1727) Newton kísérletei a fehér fénnyel

2. A Herschel űrteleszkóp 2009 – (Far Infrared and Sub-millimetre Telescope or FIRST) Sir William Herschel (1738–1822) Az infravörös sugárzás felfedezése 1781: Felfedezi az Uránuszt 1800: Felfedezi az IR sugárzást

3. Az UV sugárzás felfedezése UV AgCl Ag + Cl• Johann Wilhelm Ritter (1776– 1810) fehér fekete 1801: Az UV sugárzás felfedezése

4. A rádióhullámok felfedezése Heinrich Hertz (1847–1894) 1888: A rádióhullámok felfedezése

5. A Röntgen-sugárzás felfedezése Wilhelm Conrad Röntgen (1845– 1923) 1895: A Röntgen-sugárzás felfedezése 1901: fizikai Nobel-díj

6. Gustav Kirchhoff (1824–1887) A spektroszkópia születése William Wollaston (1766–1828) vonalak a napfény spektrumában: 1805 Robert W. Bunsen (1811–1899) Josef Fraunhofer (1787–1826) Fraunhofer-vonalak: 1817 Emissziós spektroszkópia kidolgozása: 1859

7. Elektromágneses sugárzás l James Clerk Maxwell (1831 – 1879) Részecsketermészet 1905: fotoelektromos jelenség ↓ fényenergia-kvantum: foton Albert Einstein (1879 – 1955) A fény Kettőstermészet 1924: minden anyagra: Louis-Victor de Broglie (1892 – 1987)

8. A fény tulajdonságai spektrálisan: monokromatikus vonalas – atomi (molekuláris) gázok emissziója (sávos – fluoreszkáló oldatok) „fehér” – feketest-sugárzók Feketetest-sugárzás Wien-törvénye: lmax= b/T b= 2,897 7685(51) × 10–3 m K

9. Molekula- rezgések gerjesztése Molekulák- forgásának gerjesztése Elektron- gerjesztés Magspin- gerjesztés Maggerjesztések Ionizáció A fény és az anyag kölcsönhatása

10. A fény és az anyag kölcsönhatása „Bohr-feltétel”:DE = E2−E1 = hn E2 E2 foton (hn) abszorpció E1 E1 E2 E2 spontán emisszió E1 E1 E2 E2 stimulált (kényszerített) emisszió E1 E1

11. fluoreszcencia, foszforeszencia n<n0 reflexió (diffúz, tükrös, teljes, gyengített) n=n0, I<I0 minta abszorpció (transzmisszió) n=n0, I<I0 n0, I0 forrás (monokromatikus) Rayleigh-szóródás n=n0 Raman-szóródás n=n0±n´ A fény és az anyag kölcsönhatása minta emisszió

12. A fény és az anyag kölcsönhatása Pierre Bouguet (1698 –1758) Johann Heinrich Lambert (1728–1777) I I0 I0/k I0/k2 x 2x l A August Beer (1825–1863) Lambert–Beer-törvény: LB-tv. valóságban telítés l, c →kalibrációs görbe

13. Atomspektroszkópia: H-atom Hidrogénlámpa A hidrogénatom energiaszintjei sorozat A hidrogénatom spektrumának részlete (látható tartomány) sorozat sorozat kiválasztási szabályok: Dl =±1 Ds=0

14. Atomspektroszkópia

15. diszperziós elem (monokromátor) optika rádiófrekvenciás (RF) generátor plazmaégő detektor vezérlő elektronika porlasztás szivattyú adattárolás, kiértékelés szemét minta (oldatban) Atomi emissziós spektroszkópia (AES) Egyik leggyakrabban alkalmazott technika: Induktívan csatolt plazma (ICP) spektroszkópia kimutatási határ: ~150 mg/L

16. Atomi abszorpciós spektroszkópia (AAS) Egyik technika: lángfotometria monokromátor detektor fényforrás (vájtkatódos lámpa) láng porlasztó minta (oldatban)

17. Fontosabb molekulaspektroszkópiaitechnikák

18. m1 m2 r1 r2 r Forgási spektroszkópia: Kétatomos merev rotátor merev rotátor: r = állandó tehetetlenségi nyomatékok: m: redukált tömeg w: szögsebesség Klasszikus leírás: bármekkora étéket felvehet Kvantummechanikai: diszkrét értékek Rotációs állandó: J=0,1,2,…: Rotációs kvantumszám Kiválasztási szabály (abszorpcióra, emisszióra): 1) állandó dipólusmomentum 2) DJ=±1 (Raman: DJ=0,±2)

19. Forgási spektroszkópia: Kétatomos merev rotátor A CO forgási spektrumának részlete Energia T% J=4←3 J=5←4 J=9←8 J=7←6 J=6←5 J=8←7 hullámszám /cm1 B=1,9225 cm1  r = 1,13 Å

20. Forgási spektroszkópia: Többatomos merev pörgettyűk J=K, K+1, K+2, …

21. Forgási (mikrohullámú) spektroszkópia Változtatható hullámhosszú MW forrás Detektor Hullámterelő Gázminta-tartó (ma már Fourier-transzformációs készülékek)

22. MW (forgási) spektroszkópia 2005-ig 126 csillagközi molekulát azonosítottak mikrohullámú és infravörös átmeneteik alapján

23. Csillagközi térben észlelt molekulák

24. V v=4 v=3 v=2 v=1 v=0 re r Rezgési spektroszkópia Klasszikus: Harmonikus oszcillátor modell Kétatomos (AB) molekula: Kvantummechanikai: v: rezgési kvantumszám kiválasztási szabályok: Dv=±1 absz.(IR): átmeneti dipólus momentum 0 Raman: polarizálhatóság változása 0 zéruspont (rezgési) energia Többatomos molekulák: Normálkoordináták (csatolt rezgések), de környező kötések erőállandójától jelentősen eltérő erősségű kötések → karakterisztikus kötési és csoportfrekvenciák

25. ABSZORBCIÓS IR Diszperziós elem (rács v. prizma) vagy interferométer: Diszperziós és Fourier-transzformációs (FT-IR) készülék Forrás (feketetest sugárzó → fehér fény) Rés és egyéb optikai elemek Minta Detektor EMISSZIÓS IR Forrás=minta REFLEXIÓS IR RAMAN SPEKTROSZKÓPIA n0 Lézer (monokromatikus fényforrás) n0±ni Stokes, anti-Stokes Infravörös és Raman spektroszkópia

26. Infravörös és Raman spektroszkópia Piros fényút: Fourier- transzformációs infravörös spektrométer (FT-IR, abszorpciós) Kék fényút: FT-Raman

27. Raman spektroszkópia Klasszikus leírás: • mI: indukált dipól a: polarizálhatóság tenzor E: külső elektromos tér • külső tér periodikus (Elektromágneses sugárzás) • polarizálhatóság tenzor változik a rezgésekkel, molekula forgásával: n0: lézer frekvenciája ni: molekularezgések frekv. anti-Stokes Stokes

28. Víz Széndioxid IR:  Raman: + IR: + Raman: + szimmetrikus nyújtás (vegyértékrezgés) szimmetrikus nyújtás IR: + Raman:  IR: + Raman: + antiszimmetrikus nyújtás antszimmetrikus nyújtás IR: + Raman:  IR: + Raman: + + - + (degenerált) hajlítás (deformációs rezgés) hajlítás Rezgési spektroszkópia: Normálrezgések

29. inverziós (esernyő) lélegző ollózó AX3E ollózó AX3 sepregető lélegző Rezgési spektroszkópia: Normálrezgések

30. Rezgési spektroszkópia IR Raman

31. Rezgési spektroszkópia: karakterisztikus kötési és csoportfrekvenciák Többatomos molekulák: Normálkoordináták (csatolt rezgések), de környező kötések erőállandójától jelentősen eltérő erősségű kötések → karakterisztikus kötési és csoportfrekvenciák

32. Rezgési spektroszkópia: karakterisztikus kötési és csoportfrekvenciák

33. Rezgési-forgási spektrumok Példa: a CO molekula gázfázisú IR spektruma