Optické vlastnosti látek

1. Optické vlastnosti látek

2. Elektromagnetické vlnění • Každá elektromagnetická vlna má dvě složky: elektrickou složku, kterou představuje vektor intenzity elektrického pole E, a magnetickou složku, kterou tvoří vektor magnetické indukce B. Obě složky jsou na sebe navzájem kolmé a ještě navíc jsou obě kolmé na směr šíření vlnění.

3. Spektrum elektromagnetického vlnění

4. Viditelné světlo • o vlnových délkách 400 - 800 nm je světlo, na které je citlivé lidské oko. • tato část elektromagnetického spektra se také označuje jako světelné spektrum. Jednotlivé barvy, vyskytující se ve světelném spektru se nazývají spektrálními barvami a odpovídají jim určité intervaly vlnových délek elektromagnetického záření

5. světelné spektrum

6. De Broglieho vztah • vychází z kvantové teorie světla - hybnost fotonu elektromagnetického záření o frekvenci f (vlnové délce λ) je h je Planckova konstanta • předpokládá, že tento vztah platí obecně, nejen pro elektromagnetické záření, tedy že každému volnému hmotnému objektu s hybností p lze přiřadit rovinnou monochromatickou vlnu o vlnové délce λ • hybnost hmotného objektu o hmotnosti m, který se pohybuje rychlostí v, je p = mv a tudíž jeho de Broglieho vlnová délka se rovná

7. Reflexe = odraz světla Zákon odrazu: úhel dopadu () paprsku na fázové rozhraní se rovná jeho úhlu odrazu (´)  = ´

8. Refrakce = lom světla lom světla vzniká na rozhraní dvou optických prostředí lom ke kolmici - nastává na rozhraní prostředí, přechází-li paprsek světla z opticky řidšího do opticky hustšího prostředí; úhel lomu β je menší než úhel dopadu 

9. lom ke kolmici

10. Lom od kolmice lom od kolmice - nastává na rozhraní prostředí, přechází-li paprsek světla z opticky hustšího do opticky řidšího prostředí; úhel lomu β je větší než úhel dopadu 

11. Lom od kolmice

12. Zákon lomu – Snelliův zákon podíl sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu je pro rozhraní dvou optických prostředí stálý a rovná se podílu rychlostí světla v těchto prostředích

13. Absolutní index lomu Je vztažen k přechodu světla z vakua do uvažované látky

14. Relativní index lomu relativní index lomu nr - vyjadřuje jej hodnota podílu v1 a v2 relativní index lomu nr dvou prostředí je roven podílu absolutního indexu lomu n2 druhého prostředí a absolutního indexu lomu n1 prvního prostředí

15. Molární refrakce R • experimentálně snadno dostupná veličina • charakteristická konstanta pro danou látku • nezávisí na teplotě, tlaku a prakticky ani na skupenském stavu látky • lze ji zjistit ze známé struktury látky a z tabelovaných hodnot iontových, vazebných nebo skupinových refrakcí • umožňuje ověřit navrženou strukturu molekuly neznámé látky porovnáním měřené a vypočtené hodnoty R

16. Molární refrakce R M … molární hmotnost látky  … hustota látky

17. Rozptyl světla Šíří-li se světlo hmotným prostředím, je částečně rozptylováno do všech směrů v Prostoru Podstata rozptylu: • polarizace molekul • optická nehomogenita prostředí – hustotní fluktuace

18. Rozptyl světla tok světla rozptýleného látkou V objem látky r vzdálenost detektoru světelný tok primárního paprsku úhel mezi primárním a rozptýleným paprskem vlnová délka rozptylovaného světla k konstanta, je funkcí teploty

19. Rozptyl světla • Tok rozptýleného světla roste s klesající vlnovou délkou záření • Je-li rozptylováno polychromatické světlo,pak v rozptýleném toku převládají krátkovlnnější složky (fialová a modrá) • V prošlém světle převládá červená a žlutá

20. Optické úkazy v přírodě • http://kaleidoskop.upol.cz/old/kal2008/opticke_ukazy.pdf

21. Optická aktivita Opticky aktivní látky stáčí polarizační rovinu lineárně polarizovaného světla pravotočivé (+) levotočivé (-) Optická otáčivost = úhel, o který opticky aktivní látka stočí polarizační rovinu lineárně polarizovaného světla  …. závisí na optické dráze (l) a na koncentraci roztoku

22. Specifická(měrná) optická otáčivost Pro čisté látky Pro roztoky  .… hustota čisté látky cm …. hmotnostní koncentrace roztoku

23. Molární optická otáčivost • souvisí se strukturou opticky aktivních molekul • lze ji využít k ověřování navržených struktur látek

24. Struktura opticky aktivních látek Přechodná optická aktivita typická pro krystalické látky v roztocích nebo taveninách zaniká

25. Spektroskopické vlastnosti látek Spektrem se rozumí závislost toku záření  na vlnové délce , případně na frekvenci .

26. Emisní a absorpční spektrum • Elektromagnetické záření je buď látkou emitováno (látka sama je zdrojem záření), nebo je záření emitováno známým zdrojem a sledovanou látkou prochází a je částečně absorbováno (pohlcováno). • V prvním případě, kdy je záření látkou emitováno, mluvíme o emisních spektrech. • Pokud se sleduje spektrum po průchodu látkou a absorpci, mluvíme o absorpčním spektru. • V obou případech spektrum poskytuje informace o struktuře látky.

27. Mechanismus vzniku spekter Základem je kvantová teorie. Energetické stavy atomů jsou kvantovány Výměna zářivé energie s okolím uskutečňována po kvantech

28. Emisní spektrum Se získá spektroskopickým rozborem elektromagnetického záření emitovaného danou látkou Je zaznamenáváno obvykle ve formě závislosti toku elektromagnetického záření na jeho vlnové délce, frekvenci nebo vlnočtu

29. Bohrův model atomu

30. Při odvození emisního spektra atomu vodíku vycházíme ze znalosti jeho energetického spektra a skutečnosti, že k emisi elektromagnetického záření může dojít pouze při přechodu z vyšší energetické hladiny na nižší (emise fotonu, deexcitace atomu). Energie fotonu , tj. kvantum elektromagnetického záření, je podle zákona zachování energie rovna změně energie atomu, tedy při přechodu z j-té hladiny na i-tou .

31. Příklady emisních spekter prvků • emisní spektrum vodíku • emisní spektrum uhlíku

32. Příklady emisních spekter prvků • emisní spektrum síry • emisní spektrum sodíku

33. Absorpční spektrum se získá spektroskopickým rozborem polychromatického záření, které cestou od svého zdroje ke spektroskopu prošlo měřenou látkou a ta určité složky pohltila. V absorpčním spektru pak tyto složky chybí. Měření se provádí obvykle dvoupaprskovou metodou (porovnává se tok původního záření a tok záření prošlého látkou)

34. Lambertův- Beerův zákon primární světelný tok světelný tok na výstupu z kyvety molární absorpční koeficient c koncentrace roztoku T transmitance A absorbance l délka kyvety

35. Schéma dvoupaprskového absorpčního spektrofotometru

36. Elektronová spektra atomů • skládají se z mnoho spektrálních linií odpovídajících přechodům mezi různými energetickými stavy atomu • jsou rozloženy v UV a viditelné oblasti, emisní spektra i v IČ oblasti • spektrální linie se dělí do sérií

37. Spektrum sodíku – přeskoky elektronů

38. ABSORPČNÍ ATOMOVÁ SPEKTRA

39. Rentgenová spektra prvků • Rentgenové záření je elektromagnetické záření o vysoké energii a krátké vlnové délce • Má ionizační účinky = jeho energie stačí na uvolnění elektronu z atomu

40. Zdroje rtg záření

41. Vznik rtg záření • Dvě základní interakce: • Po dopadu na anodu pronikají elektrony několika vrstvami atomu anody, dokud neztratí svoji kinetickou energii • interakce s polem jádra atomu – vedou k vzniku tzv. brzdného záření • interakce s obalovými elektrony – vedou k vzniku tzv. charakteristického záření

42. Vznik čárového rentgenového spektra • Elektrony katodového záření vyrazí z atomu elektron z nevalenčních orbitalů • Do uvolněného orbitalu může přeskočit elektron z některého vyššího orbitalu • Na místo uvolněné tímto elektronem může přeskočit jiný elektron z orbitalu s ještě vyšší energií • Každý přechod elektronu do orbitalu s menší energií je spojen s vyzářením fotonu

43. Vznik diskrétního spektra charakteristického rentgenového záření. Čárové spektrum

44. RENTGENOVÉ SPEKTRUM WOLFRAMU

45. Molekulová spektra Pohyb v rámci molekul není omezen jen na pohyb elektronů v molekulových orbitalech, ale dochází i k pohybu jader. Typy pohybů jader: molekulové rotace molekulové vibrace přechody valenčních elektronů

47. MOLEKULOVÁ SPEKTRA Celková energie molekuly (nacházející se v určitém stavu) E – celková energie molekuly Ee – energie elektronů (kvantována) Ev – energie vibrační (kvantována) ER – energie rotační (kvantována)

48. Spektrum molekuly

49. Molekulové rotace • S rotací molekul jsou spojovány tzv. rotační energetické hladiny. Spektrum vznikající při přechodech mezi rotačními energetickými hladinami se označuje jako rotační. • Příčinou těchto energetických hladin je rotace molekuly jako celku. Rotace je také kvantována. • Přechody mezi jednotlivými rotačními stavy jsou provázeny pohlcením nebo vyzářením fotonu, podobně jako při přechodu elektronu mezi jednotlivými energetickými hladinami v elektronovém obalu atomu. Vlnové délky se obvykle pohybují v mikrovlnné oblasti.

50. Rotační pohyb molekuly