Wykłady z Biofizyki dla studentów kierunku analityka medyczna

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Podstawy fizyczne analizy widmowej

Hanna Trębacz

Katedra i Zakład Biofizyki

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

2012/2013



Promieniowanie elektromagnetyczne (fala
elektromagnetyczna)

– rozchodzące się w przestrzeni

zaburzenie pola elektromagnetycznego.



Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się
wzajemnie.



Źródłem fali e-m jest zwykle oscylujący

ładunek elektryczny.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Widmo promieniowania

elektromagnetycznego

1 nanometr

1 metr

1 milimetr

1 mikrometr

1 kilometr

10

20

Hz

10

4

Hz



Promieniowanie e-

m opisuje się jak inne fale

(częstotliwość - f; długość fali - λ, energia - E).



Promieniowanie e-m wykazuje tzw. dualizm
korpuskularno

– falowy.



W próżni fale e-m rozchodzą się z prędkością 3x10

8

m/s.



Na rozchodzenie się fal w innych ośrodkach wpływają

właściwości materiałowe ośrodka.



Właściwości promieniowania e-m zależą od długości fali.

Właściwości fal e-m

Energia promieniowania e-m



Dwa różne aspekty używania terminu „energia”:



Strumień energii niesionej przez promieniowanie;

opisywany jako natężenie promieniowania [J/m

2

s]

(jest pochodną z natężenia promieniowania źródła).



Energia fotonu promieniowania (E =h

·f, gdzie h –

stała Plancka)



W obu przypadkach wpływ promieniowania na

ośrodek zależy od energii zaabsorbowanej przez

cząsteczki ośrodka

Energia promieniowania e-m



Promieniowanie
jonizujące-



wszystkie rodzaje
promieniowania, które
wywołują jonizację ośrodka
(tj. oderwanie elektronu od
atomu lub cząsteczki)

Większa energia fotonu
promieniowania

– większe

prawdopodobieństwo, że wywoła
on jonizację cząsteczek ośrodka

Promieniowanie jonizujące



Naturalne



Promieniowanie słoneczne



Promieniowanie termiczne



Sztuczne

Źródła promieniowania elektromagnetycznego

0.3

m

m - 1

m

m

10cm-10m

Jak powstaje promieniowanie e-m?



Każdemu orbitalowi przypisany jest jego
poziom energetyczny.



Elektron może znaleźć się na wyższym

poziomie energetycznym pochłaniając
foton o odpowiedniej energii lub

otrzymując tę energię ze zderzenia z

innym atomem lub cząstką.



Odwrotnie, elektron z wyższego poziomu

może przenieść się na niższy. Nadmiar
energii jest unoszony jako foton (emisja
spontaniczna) lub przejmowany przez

inny atom (przejście bezpromieniste).

Atom – poziomy energetyczne

Energia fotonów



Aby przejść pomiędzy stanami, elektron musi

pochłonąć lub wyemitować foton o energii

odpowiadającej różnicy pomiędzy energią potencjalną

dozwolonych stanów.



Energia fotonu określa jego częstotliwość (i długość
fali).



E

f

= h



c/

l =

h



f



gdzie: h jest tzw. stałą Plancka równą 6,63



10

–34

J



s



Każdy foton na określone miejsca w widmie
elektromagnetycznym.

Widmo charakterystyczne pierwiastka



Każdy foton na określone miejsca w widmie
elektromagnetycznym.



Każdy pierwiastek w stanie lotnym pobudzony do

świecenia ma charakterystyczny zestaw fotonów,

określonych przez ładunek jądra, wypełnienie

poszczególnych powłok elektronami i oddziaływania

pomiędzy elektronami.



Ten zestaw fotonów o określonych częstotliwościach
nazywamy widmem charakterystycznym pierwiastka.

Poziomy energetyczne atomu wodoru

Widma
charakterystyczne
pierwiastków

Poziomy energetyczne cząsteczek

Krzywe energii potencjalnej stanu podstawowego E

1

cząsteczki

dwuatomowej

.

Poziomy energetyczne cząsteczek

Poziomy energetyczne cząsteczek

Złożoność poziomów

energetycznych cząsteczek

Układ poziomów energetycznych jest różny dla atomów

różnych pierwiastków i dla różnych cząsteczek.

Analiza widmowa



Widmo - zarejestrowany obraz promieniowania substancji

rozłożonego na poszczególne częstotliwości (lub długości fal lub
energie).



Analiza widmowa, inaczej analiza spektralna - metoda

jakościowego i ilościowego określania substancji na podstawie
widma (

w tym także metody wytwarzania widm).



Z pomiarów linii widmowych dla danej substancji można

wyznaczyć jej skład identyfikując pierwiastki w niej zawarte,

energie połączeń, a także układ cząsteczek i atomów w

cząsteczkach.



Do analizy widmowej

wystarczą śladowe ilości substancji.

Widmo charakterystyczne



Układ linii widmowych zależy od układu

poziomów energetycznych elektronów jest
różny dla atomów różnych pierwiastków i dla
różnych cząsteczek.



Układ linii widmowych jest

niepowtarzalny i charakterystyczny

dla danego pierwiastka lub cząsteczki.

Etapy analizy widmowej



Pobudzenie badanej substancji do świecenia (niekoniecznie w
zakresie widzialnym)



Rozdzielenie emitowanego promieniowanie na składowe



Porównanie widma substancji z widmami wzorcowymi w celu
określenia, jakie substancje (pierwiastki) wchodzą w jej skład,



Poprzez porównanie natężenia światła w uniach różnych
pierwiastków wchodzących w skład substancji określa się jej skład
procentowy,



Poprzez analizę poszerzenia liniii określa się ciśnienie gazu i
oddziaływania między cząsteczkami, rozszczepienie linii umożliwia
badanie pola magnetycznego, a przesunięcie oddalania się lub
energii grawitacyjnej.

Badanie widm emisyjnych promieniowania



Światło ze źródła trzeba rozdzielić na poszczególne
linie widmowe

Rozszczepienie światła przez pryzmat

Analiza widmowa – rodzaje widm



Ze względu na wygląd widma



Widmo ciągłe



Widmo liniowe (atomowe)



Widmo pasmowe (cząsteczkowe)



Ze względu na sposób powstania



Widmo emisyjne

– powstaje w wyniku emisji

promieniowania przez ciało



Widmo absorpcyjne

– powstaje w wyniku

oddziaływania fali o widmie ciągłym z substancją.

Widmo liniowe



Widmo liniowe lub dyskretne - widmo emisyjne
składające się z oddzielnych linii widmowych.



typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli
pierwiastków w stanie gazowym, w którym poziomy
energetyczne charakteryzujące stany wzbudzenia leżą
stosunkowo daleko od siebie



nazywane jest również widmem atomowym.



układ linii widmowych zależy od układu poziomów
energetycznych elektronów w atomie.

Przykłady widm emisyjnych liniowych

Liniowe widmo emisyjne wodoru

Liniowe widmo emisyjne żelaza

Liniowe widmo emisyjne azotu

Widma pasmowe



W wyniku emisji promieniowania w gazach
cząsteczkowych



złożony układ poziomów energetycznych,
ponieważ oprócz poziomów związanych z
konfiguracją elektronów dochodzą jeszcze
(poziomy elektronowe, poziomy oscylacyjne,
poziomy rotacyjne).



poziomy energetyczne leżą tak blisko siebie, że
zlewają się w całe pasma o różnej szerokości.

Widmo powietrza.
Szerokie pasma tlenu cząsteczkowego(O

2

), azotu

cząsteczkowego(N

2

),

oraz innych cząsteczek.

Przykład widma pasmowego

Widma absorpcyjne



W wyniku absorpcji światła przechodzącego
przez substancje (np. gaz) z widma światła
padającego zostają usunięte fotony o
określonej częstotliwości.



Na tej podstawie można stwierdzić, przez
jakie substancje przechodziło światło.

Widma absorpcyjne



Absorpcja w gazach atomowych



jeżeli widmo światła padającego jest widmem

ciągłym, powoduje to powstawanie w tym
widmie ciemnych linii.



Absorpcja w gazach cząsteczkowych



złożony układ poziomów energetycznych -

poziomy energetyczne zlewają się w całe

pasma o różnej szerokości.

Widma absorpcyjne

Liniowe widmo absorpcyjne

Spektroskopia absorpcyjna

– przykład zastosowania

Analiza chemiczna atmosfery planet z poza

układu słonecznego

Przykład widma emisyjnego

Do zobaczenia za tydzień!