Shrnutí na A spektroszkópia és az elektromágneses sugárzás alapjai
A Spektroszkópia és az Elektromágneses Sugárzás Alapjai: Útmutató
Bevezetés
A spektroszkópia olyan módszerek összessége, amelyek alapja az anyag és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása. A spektroszkópia segítségével az anyagok szerkezete, energiaszintjei és koncentrációja határozható meg a fény abszorpciójának, emissziójának vagy szórásának elemzésével. Ez az anyag összefoglalja a spektroszkópia általános elveit, az energia, frekvencia és hullámhossz közötti alapvető összefüggéseket, a szintek betöltöttségét és a mérés gyakorlati aspektusait.
Definíció: A spektroszkópia olyan technikák összessége, amelyek az elektromágneses sugárzás abszorpciójának vagy emissziójának a felhasznált sugárzás hullámhosszától vagy frekvenciájától való függését vizsgálják.
1. Alapvető mennyiségek és összefüggések
Az elektromágneses sugárzás spektruma három, egymással összefüggő mennyiséggel írható le: a hullámhosszal ($\lambda$), a frekvenciával ($\nu$) és az energiával ($\Delta E$).
- Fénysebesség: $c = 2,997\times10^{8}\ \mathrm{m,s^{-1}}$.
- Planck-állandó: $h = 6,61\times10^{-34}\ \mathrm{J,s}$.
Alapvető összefüggések:
$$\Delta E = h\nu$$
$$\nu = \frac{c}{\lambda}$$
$$\tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda}$$
Ahol $\tilde{\nu}$ a hullámszám (jellemzően $\mathrm{cm^{-1}}$ egységben). Ezekből az összefüggésekből következik: minél rövidebb a $\lambda$, és minél nagyobb a $\nu$ vagy a $\tilde{\nu}$, annál nagyobb a sugárzás energiája.
Definíció: A hullámszám ($\tilde{\nu}$) a hullámhossz reciproka, és egysége $\mathrm{m^{-1}}$ vagy gyakrabban $\mathrm{cm^{-1}}$.
Táblázat: Spektrumtartományok (egyszerűsítve)
| Tartomány | Hozzávetőleges $\lambda$ (nm) | Hozzávetőleges $\nu$ (Hz) | Energia (kJ mol$^{-1}$) |
|---|---|---|---|
| Kozmikus sugárzás | $<10^{-3}$ | $>3\times10^{20}$ | $>1,2\times10^{8}$ |
| Gamma-sugarak | $10^{-1}\text{–}10^{-3}$ | $3\times10^{18}\text{–}3\times10^{20}$ | $1,2\times10^{6}\text{–}1,2\times10^{8}$ |
| Röntgen (X) | $10\text{–}10^{-1}$ | $3\times10^{16}\text{–}3\times10^{18}$ | $1,2\times10^{4}\text{–}1,2\times10^{6}$ |
| Távoli UV | $200\text{–}10$ | $1,5\times10^{15}\text{–}3\times10^{16}$ | $6\times10^{2}\text{–}1,2\times10^{4}$ |
| UV | $380\text{–}200$ | $8\times10^{14}\text{–}1,5\times10^{15}$ | $3,2\times10^{2}\text{–}6\times10^{2}$ |
| Látható | $780\text{–}380$ | $4\times10^{14}\text{–}8\times10^{14}$ | $1,6\times10^{2}\text{–}3,2\times10^{2}$ |
| Infravörös | $3\times10^{4}\text{–}780$ | $10^{13}\text{–}4\times10^{14}$ | $4\text{–}1,6\times10^{2}$ |
| Mikrohullámok | $3\times10^{7}\text{–}3\times10^{5}$ | $10^{10}\text{–}10^{12}$ | $4\times10^{-3}\text{–}0,4$ |
| Rádióhullámok | $10^{11}\text{–}3\times10^{7}$ | $10^{6}\text{–}10^{10}$ | $4\times10^{-7}\text{–}4\times10^{-3}$ |
Tudtad, hogy az elektromágneses spektrum a rádióhullámoktól, akár $10^{11}\ \mathrm{nm}$ nagyságrendű hullámhosszal, a kozmikus sugárzásig terjed, amelynek hullámhossza kisebb, mint $10^{-3}\ \mathrm{nm}$?
2. Átmenetek az energiaszintek között
A legegyszerűbb spektrális folyamat az átmenet két $E_i$ és $E_j$ szint között.
- Abszorpció: az $E_i$-ből $E_j$-be történő átmenet (magasabb szint elérése) foton elnyelésének felel meg.
- Emisszió: az $E_j$-ből $E_i$-be történő átmenet foton kibocsátását jelenti.
A rezonancia feltétele (az átmenet energiafeltétele):
$$\Delta E = E_j - E_i = h\nu$$
Ha ez a feltétel nem teljesül, az átmenet alapvetően nem jön létre.
Definíció: A rezonanciafeltétel kimondja, hogy két energiaszint közötti különbségnek meg kell egyeznie a foton $h\nu$ energiájával ahhoz, hogy abszorpció vagy emisszió történjen.
A szintek betöltöttsége és a Boltzmann-eloszlás
A szintek betöltöttségi eloszlását termodinamikai egyensúlyban a Boltzmann-képlet írja le:
$$\frac{N_j}{N_i} = e^{-\frac{\Delta E_{(i,j)}}{RT}}$$
Ahol $N_j$ és $N_i$ a $j$ és $i$ szinteken lévő részecskék száma, $R$ az univerzális gázállandó, és $T$ a hőmérséklet kelvinben.
Következmények:
- Nagy $\Delta E$ azt jelenti, hogy normál hőmérsékleteken az excitált szinten lévő részecské
Sign up for the full summaryAlready have an account? Sign in
Spektroszkópia - alapok
Klíčové pojmy: A spektroszkópia az anyag és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatását vizsgálja., Alapvető összefüggések: $\Delta E = h\nu$, $\nu = c/\lambda$, $\tilde{\nu}=1/\lambda$, Rövid $\lambda$ magasabb sugárzási energiát jelent., Abszorpció: $E_i \to E_j$, emisszió: $E_j \to E_i$; $\Delta E = h\nu$ összefüggésnek teljesülnie kell., Boltzmann-eloszlás: $\dfrac{N_j}{N_i}=e^{-\dfrac{\Delta E}{RT}}$, A relaxáció megakadályozza a szaturációt és meghatározza az excitációk ismétlődési gyakoriságát., Spektrométer: forrás, szűrő/monokromátor, minta, detektor, adatfeldolgozás., UV/VIS kvantitatív analízis során alkalmazzuk a Beer-Lambert törvényt $A=\epsilon c l$., A forrás és a detektor kiválasztása a spektrum tartományától függ (UV/VIS, IR, mikrohullámok)., Kalibráljuk a hullámhossz tengelyt és mérjük a referenciát.