Optické spektrometre A Spektrometria

Παρουσίαση με θέμα: "Optické spektrometre A Spektrometria"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Optické spektrometre A Spektrometria
Meranie fyzikálnych veličín Lukáš DVONČ 3. f 1

2 spektrometre komerčne dostupné na trhu už vyše 60 rokov:
disperzné typy (hranoly, mriežky, monochromátor) fourierovské typy (interferometer) Základne zložky spektrometra zdroj žiarenia, disperzný systém / interferometer vzorkovacia časť, detektor, Zosilňovač zapisovač alebo PC.

3 Zdroje žiarenia

4 Zdroje žiarenia Ideálny zdroj časovo spojité spektrum s konštantnou energiou výstupu. Najčastejšie používaný typ žiariča inertná tuhá látka elektricky zohrievaná na teplotu K, kedy emituje IČ žiarenie.

5 Zdroje žiarenia Nernstov žiarič cylinder z keramického materiálu obsahujúci oxidy vzácnych zemín (ZrO2, Y2O3, Er2O3= 90:7:3) zohrievaný na T ~ 2200 K

6 Zdroje žiarene Lasery = plynové lasery, resp. laditeľný laser (farbivo + ladiaci prvok) pumpovaný elektrickým výbojom. NdYAG laser a CO2 laser vhodné pre NIR a MIR oblasť. Zdroje žiarenia pre UV oblasť → výbojky napustené plynmi (H2, D2, Xe, Ar) resp. parami kovov (Hg). Najkomplikovanejšia spektrálna oblasť = FIR → Hg lampa.

7 Disperzný systém Disperzný systém na rozptyl žiarenia (monochromátor) = hranol a mriežka. Hranol → materiál s veľkým indexom lomu → rozsah vlnočtov závisí na použitom materiále. Mriežka vyrobená z kovov rôznych materiálov – líšia sa počtom vrypov na mm (zvyčajný rozsah je 300 – 3000 vrypov na mm). Nevýhoda mriežky: nedokáže oddeliť násobné frekvencie (to iste β je možné získať pre ṽ = 1000 cm-1 a n=1 resp.ṽ = 3000 cm-1 a n=3). Výhody mriežky: použiteľnosť v oblastiach pod 250 cm-1, väčší rozptyl a výkon, produkcia lineárneho spektra.

8 Interferometer Interferometer → používa sa u fourierovských spektrometrov. Základný typ interferometra →Michelsonov interferometer.

9

10 Fouriererovsky vs disperzny

11 Fouriererovsky vs disperzny

12 Vyhody fourierovského spektrtometra
rýchlosť, rozlišovacia schopnosť, presnosť vlnočtu, pomer signál/šum, ovládateľnosť počítačom, adaptabilita pre diaľkové použitie.

13 Detektor prevádza energiu žiarenia na inú formu energie, ktorú je možné rôznymi spôsobmi merať → výsledkom merania je elektrický signál, ktorého veľkosť jeúmerná intenzite dopadajúceho žiarenia. Dôležité parametre detektora: vysoká citlivosť, vysoká rýchlosť. (vlastnosti čierneho telesa). Najbežnejšie používané detektory: termoelektrický pneumatický pyroelektrický fotoelektrický

14 Detektory 􀁮 Termoelektrický detektor (termočlánok) = dvojica kovov (Bi+Sn, Ag+Pb). Žiarenie spôsobuje rozdiel T materiálov → rozdiel potenciálov. Pneumatický detektor (napr. Golayov detektor) = komôrka naplnená plynom a uzavretá membránou. Žiarenie zohrieva plyn, ktorý expanduje čím mení polohu membrány (relatívne pomalá odozva).

15 Fotoelektrický detektor → vrstva polovodivého materiálu (napr
Fotoelektrický detektor → vrstva polovodivého materiálu (napr. MCT = mercury cadmium tellurite) na sklenenom povrchu → absorbciou žiarenia, odpor polovodiča klesá. (chladenie kvapalným dusíkom na dosiahnutie maximálnej citlivosti). Podobne možno použiť i fotonásobič, fotodiódu,CCD čip alebo fototranzistor. Pyroelektrický detektor → vrstva pyroelektrického materiálu (napr. TGS =(triglycín sulfát). Jeho uzavretím medzi dve elektródy možno vytvoriť teplotne závislý kondenzátor → zmena kapacity (relatívne rýchla odozva).

16

17 Vibračná spektroskopia
Stupne voľnosti pre vibrácie molekuly = 3N-(translácia+rotácia) = 3N-6. Napríklad teoreticky voda H2O má 3*3-6 = 3 a benzén C6H6 má 3*12-6 = 30 normálnych vibračných módov (degenerácia frekvencií). Vďaka rôznym efektom nie je pohyb harmonický a objavujú sa aj kombinácie frekvencií Počet vibrácii nemusí byt vždy 3N-6 → menší (zakázané prechody,degenerované), Väčší (overtóny, kombinačné pásy, Fermiho efekt).

18 Vibračná spektroskopia
Valenčné vibrácie (stretching) → atómy menia polohu pozdĺž väzby. nesymetrická symetrická

19 Vibračná spektroskopia
Deformačné vibrácie (bending) → mení sa väzbový uhol.

20 Vibračná spektroskopia
Deformačné vibrácie majú nižšiu energiu a ležia pri nižších vlnočtoch. Homonukleárne molekuly X2 (napr. H2, O2, N2) su neaktívne. Heterogenne molekuly XY vykazujú absorbciu vždy.

21 Ramanovská spektroskopia
Ramanovská spektroskopia → využíva rozptyl svetla molekulami látky. Rozptýlená radiácia obsahuje aj žiarenie nižšej (ṽ0-Δṽ) a vyššej (ṽ0+Δṽ) frekvencie ako dopadajúce žiarenie → posun závisí na rotačných a vibračných energiách látky, ktorá spôsobila rozptyl. Intenzita Ramanovských čiar je približne krát menšia ako intenzita dopadajúceho lúča.Čiary Ramanovského spektra sú nezávislé na frekvencii dopadajúceho svetla.

22 Ramanovská spektroskopia

23 Manipulácia so spektrom
Pomocou softvéru dodávaného zvyčajne spolu so spektrometrom. Účelom je zvýraznenie spektra a získanie ďalších informácii zo spektra. Niektoré techniky úpravy odčítanie, korekcia pozadia, vyhlazdovanie, knižnica spektier.