1 / 21

Optikai spektroszkópia

Optikai spektroszkópia. előadók: Magyarfalvi Gábor, Tarczay György kredit: 2+0. Optikai spektroszkópia – kapcsolódó kurzusok. Főkollégiumok: Elméleti kémia Műszeres analitika Szerkezeti kémia (Szerves és Fémorganikus) Kapcsolódó kötelezően választható előadások, speciálkollégiumok:

rosalind
Download Presentation

Optikai spektroszkópia

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Optikai spektroszkópia előadók: Magyarfalvi Gábor, Tarczay György kredit: 2+0

  2. Optikai spektroszkópia – kapcsolódó kurzusok Főkollégiumok: • Elméleti kémia • Műszeres analitika • Szerkezeti kémia (Szerves és Fémorganikus) Kapcsolódó kötelezően választható előadások, speciálkollégiumok: • Molekulamozgások kvantummechanikája I–II. (Császár Attila) • Szerves kémiai spektroszkópia (Schlosser Gitta, Csámpai Antal, Vass Elemér) • Lézerek a kémiában (Tarczay György) • Anyagszerkezet-vizsgálati módszerek (2×2 óra, Tarczay v. Magyarfalvi) Gyakorlatok: • Szervetlen kémia II. (1×8 óra) • Optikai spektroszkópia, UV-fotoelektronspektroszkópia, CD labor • Szerves kémiai spektroszkópia és elválasztástechnika gyakorlatok • Számítógépes kémia (Fogarasi Géza, spektrumok számítása)

  3. Ajánlott irodalom Magyarnyelvű kiadványok: • Holly Sándor, Sohár Pál: Infravörös spektroszkópia, Műszaki Kvk., 1968 • Kovács István, Szőke József: Molekulaspektroszkópia, Akadémiai K., 1987 • Sztarka Lajos: A Fourier-transzformációs spektrometria elvi alapjai, A kémia újabb eredményei 36, Akadémia K 1977 • Ruff Ferenc: Szerves vegyületek szerkezetvizsgálata spektroszkópiai módszerekkel: Infravörös Spektroszkópia, Tankönyvkiadó, 1992 Angolnyelvű könyvek: • P. F. Bernath: Spectra of Atoms and Molecules, Oxford University Press, 1995 • J. M. Hollas: Modern Spectroscopy, Wiley, 1998 • J. D. Graybeal: Molecular Spectroscopy, McGraw-Hill, 1988 • D. C. Harris, M. D. Bertolucci: Symmetry and Spectroscopy, An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy, Oxford University P., 1978 (Dover) • E. B. Wilson, J. C. Decius, P. C. Cross: Molecular Vibrations, The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra, General Publ. Comp., 1955 (Dover) • B. Schrader (szerk.): Infrared and Raman Spectroscopy, Methods and Applications, VCH, 1995 • Griffiths, de Haseth: Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Wiley-Interscience; 2 ed. 2007 • J. Workman Jr., A. W. Sprigsteen (szerk.): Applied Spectroscopy, Academic Press, 1998 • K. Nakamoto: Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds, Wiley, 1997 • Ezernyi egyéb (Herzberg, Levine, Dixon…)

  4. Tematika • Alapfogalmak, fizikai alapösszefüggések, jelenségek • Rezgések elméleti leírása • IR és Raman spektrumok megjelenését befolyásoló tényezők, (szerves, szervetlen, fémorganikus…) spektrumok értelmezése, kiértékelése • IR készülékek felépítése, működése • Mintakezelés, IR mérési technikák • Raman technikák • Csatolt és speciális technikák • Elektronátmenetek, elméleti leírás • UV–VIS és fluoreszcencia spektroszkópia • UV–VIS spektrumok értelmezése, kiértékelése

  5. Molekula- rezgések gerjesztése Molekulák- forgásának gerjesztése Elektron- gerjesztés Magspin- gerjesztés Maggerjesztések Ionizáció A fény és az anyag kölcsönhatása „optikai tart.”

  6. Optikai spektroszkópia Fény-anyag kölcsönhatásának vizsgálata: intenzitásváltozás detektálása a frekvencia függvényében → szerkezeti információ „Optikai” tartomány: UV-VIS, fluoreszcencia – elektronspektroszkópia Infravörös (IR) és Raman – rezgési spektroszkópia Jellemzők, információtartalom: • pontos anyagazonosítás („ujjlenyomat”-jelleg, „párhuzam”: alkalmazások a bűnüldözésben) • karakterisztikus sávok (minőségi analízis) • spektrumok részletes elemzéséből konstitúción túl: konformáció, konfiguráció, környezet, fizikai állapot • számíthatóság fizikai alapösszefüggések alapján • mennyiségi analízis (intenzitások alapján) • bármely halmazállapot vizsgálható • roncsolásmentes • csatolt, „on-line”, „real time”, „in situ” módszerek • gyorsaság (kinetikai mérések is)

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

  8. A Herschel űrteleszkóp 2009 – (Far Infrared and Sub-millimetre Telescope or FIRST) Sir William Herschel (1738–1822) Az infravörös sugárzás felfedezése

  9. 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

  10. 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)

  11. A fény tulajdonságai polarizáció E nem polarizált fény előnézet oldalnézet síkban polarizált fény elliptikusan polarizált fény cirkulárisan polarizált fény +, – +, – intenzitás, kollimáltság (i/n), koherencia (i/n)

  12. 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

  13. A fény energiája és intenzitása A foton (és a gerjesztés) energiája, lehetséges mértékegységek: 1 cm–1 = 1,1962658280823∙10–2 kJ / mol 1 eV = 96,485310786701 kJ / mol 1 kcal / mol = 4,1839970677758 kJ / mol 1 MHz = 3,9903132126102∙10–7 kJ / mol 1 Eh (Hatree) = 2625,5 kJ / mol egyéb: erg, J, cal, kWh, …, nm, h, … A fény(impulzus) energiája: a fénynyalábban levő fotonok energiájának összege (a teljes spektrumra) A fénynyaláb teljesítménye: J /s (W) A fénynyaláb intenzitása: Fluxus (felületi teljesítmény) [W/m2], monokromatikus fényre [foton/s ∙ m2] (Luminozitás: 1 cd (candela) = 1/683 W / térszög @ 555 nm)

  14. A fény és az anyag kölcsönhatása spontán emisszió stimulált (kényszerített) emisszió abszorpció E2 E2 E2 E1 E1 E1 termikus egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: f(=N/V): foton-sűrűség A21, B12, B21: Einstein-féle koefficiensek N1, N2: az alap- és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma rn: a sugárzás energiasűrűsége n frekvenciánál Összefüggések: g1,g2 : statisztikai súly c: fénysebesség h: Planck-állandó

  15. 1. Természetes vonalszélesség Heisenberg-féle bizonytalansági elv: tsp: spektroszkópiai átmenet időtartama Lorentz-sávalak: Na D-vonala (l=5890Å) tsp=16 ns → Dn1/2=10 MHz 2. Nyomásáltali kiszélesedés tc: ütközések közötti átlagos időtartam b~ 1 MHz/Torr Sávszélességet befolyásoló tényezők

  16. 3. Doppler-kiszélesedés Detektor irányába v0 sebességgel mozgó részecske észlelt átmenete: eltolódás: Maxwell-féle sebesség-eloszlást figyelembe véve kiszélesedés: Sávszélességet befolyásoló tényezők Gauss-sávalak: Na D-vonala 300 K: Dn1/2=1317 MHz = 0,044 cm1 Inhomogén kiszélesedés: több homogén komponens összege Lorentz- és Gauss-függvények konvolúciója→ Voigt-függvény

  17. Sávszélességet befolyásoló tényezők 4. Átvonulási idő kiszélesedés cos és négyzetfüggvény konvolúciója Molekulasugaras kísérleteknél fény molekulasugár átvonulási idő Det (egy molekula dipól- oszcillációja) 5. Teljesítmény-kiszélesedés Nagyteljesítményű forrásoknál (lézer) Rabi oszcilláció (abszorpció-stimulált emisszió gyors váltakozása) 6. Intermolekuláris kölcsönhatások Elsősorban kondenzált fázisok vizsgálatánál

  18. 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

  19. 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-, Mie-szórás n=n0 Raman-szóródás n=n0±n´ minta emisszió A fény és az anyag kölcsönhatása

  20. Egyutas (~csatornás) készülék F D Minta v. referencia D Kétutas készülék Egyutas intenzitás spektrumok Transzmittancia, abszorbancia spektrumok Minta F D D T Referencia referencia (háttér) T=I/I0 Intenzitás/tetszőleges egység A=log(1/T) minta A Intenzitás, transzmittancia, abszorbancia spektrumok

  21. Látható (VIS) Középső vagy analitikai IR (MIR) Mikrohullám (MW) Közeli IR (NIR) Távoli IR (FIR) ~ n / cm1 12 500 4 000 400 20 Az infravörös sugárzás tartományokra osztása Jelenség rezgési felhangok szerves molekulák alaprezgései nagyamplitudójú rezgések, fémkomplexek, fémorganikus mol. rezg., kismolekulák forgása, rácsrezgések minőségi analízis, szerkezeti információ elsősorban szerkezeti információ Alkalmazás elsősorban mennyiségi analízis (pl. műanyag-, élelmiszeripar) Optikai elemek (ablakok, lencsék, mintatartók) kvarcüveg ↓ üvegszáloptika használatának lehetősége Ionrácsos anyagok: KBr, NaCl, CsCl, CaF2, ZnSe, KRS5 (TlBr/TlI) Si, Ge polietilén

More Related