ALGUMAS APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA ÓPTICA

1. ALGUMAS APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA ÓPTICA Maria José V. Bell, DF-UFJF XV Semana de Física - UFJF Outubro/2004

2. Índice • O que é espectroscopia óptica • Radiação UV-VIS-IR • Elementos básicos experimentais • Técnicas experimentais e exemplos de aplicações • Absorção, transmissão, • Absorção infravermelha

3. Ondas Eletromagnéticas E=hc/l

4. Espectro Eletromagnético Radiação UV-Vis-IR

5. IR IT Io IE Amostra Espectroscopia Óptica • Consiste na interação de radiação (na faixa do UV, Vis e IR) com a matéria (sólido, líquido ou gás). • Esta interação pode ocorrer via absorção, espalhamento, emissão ou reflexão da luz incidente. Io: Intensidade Incidente IR: Intensidade Refletida IT: Intensidade Transmitida IE: Intensidade Espalhada Io=IT+IR+IE+IA Intensidade Absorvida

6. Elementos básicos: • Fontes de luz: laseres e lâmpadas • Elemento dispersor: grade de difração ou prisma • Detector: fotodiodo, fotomultiplicadora, CCD • Amostra: sólido, líquido ou gás. Laser

7. Fontes de luzLâmpadas: Espectro contínuo Emissão de Corpo Negro Lei de Planck

8. Laseres:Gasosos, de Estado Sólido e líquidos (Dye lasers) • Gasosos: He-Ne, Argônio (Ar+), Kriptônio, He-Cd, N2, CO2, etc. • De Estado sólido: Laseres de diodo, Ti:Safira, Nd:YAG, etc. • Líquidos: corantes, desde o UV até o infravermelho, com variação contínua, mudando o corante.

9. O Elemento Dispersivo:Monocromador sena + senb = mDl N Poder de resolução da rede: l/Dl=mN b a

10. Fotodiodos E Detector     (  m) p Si 0.2 - 1.1 Ge 0.4 - 1.8 Eg n InAs 1.0 - 3.8 InSb 1.0 - 7.0 InSb (77K) 1.0 - 5.6 HgCdTe (77K) 1.0 -25.0 p V Faixa de sensibilidade E p n V-DV p

11. Fotomultiplicadora Faixa de operação: 110-1100 nm Eficiência Quântica: 1-10% Tempo de resposta: 1-20 ns

12. CCD- Charge Coupled Device • Características: • 1024 ou 2048 pixels • Eficiência quântica de ~60% • Alta sensibilidade • Tamanho: • ~ 25 mm

13. BC Energia BC BC Eg Eg Eg BV BV BV Isolante Metal Semicondutor Tipos de Amostras: 1) Sólidos Eg > 5eV Eg < 1eV Eg entre ~1eV e 5eV E=hc/l

14. 2) Moléculas (diatômicas) R Níveis Eletrônicos Níveis vibracionais

15. Átomo de Bohr

16. Absorção e Emissão

17. Faixas de Energias da Espectroscopia óptica Níveis Eletrônicos ~1eV UV-VIS Níveis Rotacionais < 10 meV Níveis Vibracionais ~10 - 100meV IR

18. TÉCNICA DE ABSORÇÃO E REFLETÂNCIA IT Absorbância (A): A=logIo/IT Refletância R: =IR/Io Transmitância (T): T=IT/Io Lei de Beer: IT(l)=Io(l)e-a(l)L a=A/(Llog(e)) IO L R=IR/Io IR

19. Absorção Infravermelha n3 n2,4 Transmissão Número de Onda (=1/l ) (cm-1)

20. Algumas bandas de absorção típicas

21. Aplicação 1: Gases na atmosfera

22. Emissão solar Intensidade (W/m2mm) Comprimento de onda ( mm)

23. Porcentagem de energia absorvida

24. Aplicação 2: Sensoriamento remoto Refletância (%)

25. Sensoriamento remoto Canal 2 Canal 3 Refletância Canal 1 Canal 1: 0.6 mm Canal 2: 0.8 mm Canal 3: 1.6 mm Fonte: EUMETSAT Comparação da refletância do solo nos 3 canais Comparação da refletância das folhas nos 3 canais

26. Superfície da Terra • Em 0.8 mm há uma melhor definição entre estruturas de superfície devido à alta refletância do solo e das folhas. Canal 1: 0.6 mm Canal 2: 0.8 mm 0.6 mm 0.8mm Comprimento de onda (mm)

27. Refletividade do Gelo/neve e Núvens em 1.6 m 0.6 0.8 1.6 Núvens: alta refletividade Gelo/neve:baixa refletividade Fonte: EUMETSAT

28. Núvens de água e núvens de gelo Gelo/neve Núvem

29. Superfície Lunar –dados da Apolo 14

30. Transmissão do leite

31. Absorção de Água Líquida Coeficiente de absorção a (cm-1)