Streszczenie Podstawy spektroskopii i promieniowania elektromagnetycznego
Podstawy Spektroskopii i Promieniowania Elektromagnetycznego: Przewodnik
Wstęp
Spektroskopia to zbiór metod opartych na interakcji materii z promieniowaniem elektromagnetycznym. Za pomocą spektroskopii można określać strukturę, poziomy energetyczne i stężenia substancji poprzez analizę absorpcji, emisji lub rozpraszania światła. Niniejszy materiał podsumowuje ogólne zasady spektroskopii, podstawowe zależności między energią, częstotliwością a długością fali, populację poziomów i praktyczne aspekty pomiarów.
Definicja: Spektroskopia to zbiór technik badających zależność absorpcji lub emisji promieniowania elektromagnetycznego od długości fali lub częstotliwości zastosowanego promieniowania.
1. Podstawowe wielkości i zależności
Widmo promieniowania elektromagnetycznego można opisać trzema wzajemnie powiązanymi wielkościami: długością fali $\lambda$, częstotliwością $\nu$ i energią $\Delta E$.
- Prędkość światła: $c = 2{,}997\times10^{8}\ \mathrm{m,s^{-1}}$.
- Stała Plancka: $h = 6{,}61\times10^{-34}\ \mathrm{J,s}$.
Podstawowe zależności:
$$\Delta E = h\nu$$
$$\nu = \frac{c}{\lambda}$$
$$\tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda}$$
Gdzie $\tilde{\nu}$ to liczba falowa (zazwyczaj w $\mathrm{cm^{-1}}$). Z tych zależności wynika: że im krótsza $\lambda$ i im większa $\nu$ lub $\tilde{\nu}$, tym większa energia promieniowania.
Definicja: Liczba falowa $\tilde{\nu}$ to odwrotność długości fali i ma jednostkę $\mathrm{m^{-1}}$ lub częściej $\mathrm{cm^{-1}}$.
Tabela: Zakresy widm (uproszczone)
| Obszar | Przybliżona $\lambda$ (nm) | Przybliżona $\nu$ (Hz) | Energia (kJ mol$^{-1}$) |
|---|---|---|---|
| Promieniowanie kosmiczne | $<10^{-3}$ | $>3\times10^{20}$ | $>1{,}2\times10^{8}$ |
| Promienie gamma | $10^{-1}\text{ do }10^{-3}$ | $3\times10^{18}\text{ do }3\times10^{20}$ | $1{,}2\times10^{6}\text{ do }1{,}2\times10^{8}$ |
| Rentgenowskie (X) | $10\text{ do }10^{-1}$ | $3\times10^{16}\text{ do }3\times10^{18}$ | $1{,}2\times10^{4}\text{ do }1{,}2\times10^{6}$ |
| Daleki UV | $200\text{ do }10$ | $1{,}5\times10^{15}\text{ do }3\times10^{16}$ | $6\times10^{2}\text{ do }1{,}2\times10^{4}$ |
| UV | $380\text{ do }200$ | $8\times10^{14}\text{ do }1{,}5\times10^{15}$ | $3{,}2\times10^{2}\text{ do }6\times10^{2}$ |
| Widzialne | $780\text{ do }380$ | $4\times10^{14}\text{ do }8\times10^{14}$ | $1{,}6\times10^{2}\text{ do }3{,}2\times10^{2}$ |
| Podczerwone | $3\times10^{4}\text{ do }780$ | $10^{13}\text{ do }4\times10^{14}$ | $4\text{ do }1{,}6\times10^{2}$ |
| Mikrofale | $3\times10^{7}\text{ do }3\times10^{5}$ | $10^{10}\text{ do }10^{12}$ | $4\times10^{-3}\text{ do }0{,}4$ |
| Radiowe | $10^{11}\text{ do }3\times10^{7}$ | $10^{6}\text{ do }10^{10}$ | $4\times10^{-7}\text{ do }4\times10^{-3}$ |
Czy wiesz, że widmo elektromagnetyczne rozciąga się od fal radiowych o długości fali rzędu $10^{11}\ \mathrm{nm}$ aż po promieniowanie kosmiczne o długości fali mniejszej niż $10^{-3}\ \mathrm{nm}$?
2. Przejścia między poziomami energetycznymi
Najprostszym procesem spektralnym jest przejście między dwoma poziomami $E_i$ i $E_j$.
- Absorpcja: przejście z $E_i$ na $E_j$ (osiągnięcie wyższego poziomu) odpowiada pochłonięciu fotonu.
- Emisja: przejście z $E_j$ na $E_i$ oznacza wyemitowanie fotonu.
Warunek rezonansu (energetyczny warunek przejścia):
$$\Delta E = E_j - E_i = h\nu$$
Jeśli ten warunek nie jest spełniony, przejście zasadniczo nie zajdzie.
Definicja: Warunek rezonansu stanowi, że różnica między dwoma poziomami energetycznymi musi być równa energii fotonu $h\nu$, aby zaszła absorpcja lub emisja.
Obsadzenie poziomów i rozkład Boltzmanna
Rozkład obsadzenia poziomów w równowadze termodynamicznej opisuje wzór Boltzmanna:
$$\frac{N_j}{N_i} = e^{-\frac{\Delta E_{(i,j)}}{RT}}$$
Gdzie $N_j$ i $N_i$ to liczby cząstek na poziomach $j$ i $i$, $R$ to uniwersalna stała gazowa, a $T$ to temperatura w kelwinach.
Konsekwencje:
- Duże $\Delta E$ oznacza, że w typowych temperaturach względna liczba cząstek na poziomie wzbudzonym będzie mała, co może zmniejszać czułość niektórych metod.
Zarejestruj się po pełne podsumowanieMasz już konto? Zaloguj się
Spektroskopia - podstawy
Klíčové pojmy: Spektroskopia bada interakcję materii z promieniowaniem elektromagnetycznym, Podstawowe zależności: $\Delta E = h\nu$, $\nu = c/\lambda$, $\tilde{\nu}=1/\lambda$, Krótka $\lambda$ oznacza wyższą energię promieniowania, Absorpcja: $E_i \to E_j$, emisja: $E_j \to E_i$; musi zachodzić $\Delta E = h\nu$, Rozkład Boltzmanna: $\dfrac{N_j}{N_i}=e^{-\dfrac{\Delta E}{RT}}$, Relaksacja zapobiega nasyceniu i określa częstotliwość powtarzania wzbudzeń, Spektrometr: źródło, filtrowanie/monochromator, próbka, detektor, przetwarzanie danych, W ilościowej analizie UV/VIS należy zastosować prawo Beer-Lamberta $A=\epsilon c l$, Wybór źródła i detektora zależy od zakresu widma (UV/VIS, IR, mikrofale), Skalibruj oś długości fal i zmierz referencję