POMIAR WIDM ABSORPCJI BARWNKÓW ZA POMOCĄ SPEKTROFOTOMETRU

1. Podstawowe pojęcia.

Spektrofotometr - aparat do pomiaru przepuszczalności lub absorpcji promieniowania przy określonej długości fali. Jest on stosowany w analizie spektralnej absorpcyjnej. Wyróżniamy różne podziały spektrofotometrów:

• ze względu na konstrukcję:

jednowiązkowe

dwuwiązkowe

• ze względu na zakres pomiaru:

na nadfiolet (spektrofotometry UV)

na światło widzialne (spektrofotometry VIS)

na podczerwień (spektrofotometry IR)

Poszczególne grupy przyrządów mogą różnić się pewnymi częściami, jednak zasadnicze elementy spektrofotometrów są identyczne. Możemy wyróżnić następujące składowe typowego spektrofotometru:

• źródło promieniowania - np. lampy: wodorowa lub deuterowa dla zakresu UV, wolframowa lub halogenowa dla zakresu VIS;

• monochromator - jego zadaniem jest rozszczepienie promieniowania polichromatycznego emitowanego przez źródło promieniowania i wyodrębnienie wąskiego zakresu długości fali. Zbudowany jest z kolimatorów (układów przesłon służących do uzyskania równoległej wiązki promieniowania) na wejściu i wyjściu oraz pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej zastosowanych do rozszczepienia światła. Po przejściu przez monochromator promieniowanie pada na odpowiednio wąską szczelinę wyodrębniającą pożądany zakres promieniowania;

• kuweta pomiarowa - specjalne naczynie zawierające roztwór badany lub odnośnik. W zależności od warunków pomiarowych może być szklana (zakres fal o długości 340-900 nm), kwarcowa (fale 190-1100 nm) lub z tworzyw sztucznych (zakres VIS). Długość drogi optycznej waha się zwykle od 5 do 100 mm (dla zakresu VIS 10-20 mm);

• detektor - przetwarza energię padającego promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną. (Sygnał elektryczny jest proporcjonalny do odbieranego sygnału optycznego). Funkcję tę spełnia fotokomórka, fotopowielacz, fotoopornik lub fotodioda;

• Układ pomiarowy (rejestrator) - galwanometr lub mikroprocesor. Obecnie jest to zazwyczaj ten ostatni. Komputery pozwalające na rejestrację i matematyczną obróbkę danych wymagają specjalnego oprogramowania.

Absorpcja - proces pochłaniania energii fali przez ciało. W procesie tym, jak również w procesie emisji, światło zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od częstotliwości światła.

Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa: gdy kwant energii światła przechodzi w pobliżu cząsteczki, pojawia się oddziaływanie pomiędzy polem elektrycznym cząsteczki, a polem elektrycznym promieniowania. Zaburzenie to może nie wywołać żadnych trwałych zmian w cząsteczce, ale może również zajść „reakcja”, w której foton zostanie zaabsorbowany przez cząsteczkę. W tym przypadku kwant światła przestaje istnieć, a jego energia zostaje przekazana cząsteczce, wywołując w niej zmianę struktury elektronowej. Zmianę tę można przedstawić jako zmianę w obsadzaniu zbioru orbitali molekularnych - wspólnego dla stanu wzbudzonego i podstawowego cząsteczki.

W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła padającego zostają usunięte częstotliwości, które zostały pochłonięte. Na tej podstawie można stwierdzić, przez jakie substancje przechodziło światło. Zjawisko to służy do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy, obłoków gazowych we wszechświecie.

Ilościową miarą wielkości absorpcji są transmitancja i absorbancja promieniowania.

Widmo - zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Widmo, które powstało w wyniku emisji promieniowania przez analizowaną substancję albo na skutek kontaktu z nią (przeszło przez nią lub zostało przez nią odbite), może dostarczyć szeregu cennych informacji o badanej substancji, ponieważ każdy pierwiastek ma swoje charakterystyczne widmo. Jest ono złożone z linii, które jak się okazuje po dokładniejszym zbadaniu, są rozłożone według praw określonego typu i tworzą serie widmowe.

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez ciało. Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało, będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów, między którymi przeszła cząstka. Wyróżniamy następujące rodzaje widm emisyjnych: liniowe (charakterystyczne dla rodzajów atomów w stanie gazu lub pary), pasmowe (charakteryzują cząsteczki), ciągłe (cechują rozżarzone ciała stałe i ciekłe oraz gazy pod dużym ciśnieniem, obejmują wszystkie barwy od czerwieni do fioletu).

Widmo absorpcyjne - graficzny zapis zmian wartości absorpcji w zależności od długości fali (liczb falowych). Powstaje w wyniku oddziaływania (przejścia lub odbicia) fali o widmie zazwyczaj ciągłym z substancją. Możemy je zaobserwować gdy na drodze światła pochodzącego ze źródła o widmie ciągłym znajdzie się warstwa np. gazu czy pary o temperaturze niższej niż temperatura źródła światła. Widmo absorpcyjne związane jest ze zmianami energii elektronowej, oscylacyjnej i rotacyjnej.

2. Absorpcja i emisja promieniowania w układach dwupoziomowych.

Układ dwupoziomowy - najprostszym, nietrywialnym przykładem układu kwantowego.

Diagram Jabłońskiego jest to obrazowe przedstawienie schematu zjawisk luminescencyjnych.

Diagram Jabłońskiego stanowi uproszczony obraz względnego rozmieszczenia poziomów energii elektronowej cząsteczki. Poziomy oscylacyjne danego stanu elektronowego leżą jeden pod drugim, ale względne rozmieszczenie kolumn w poziomie nie jest związane z odległością międzyjądrową w poszczególnych stanach.

Uproszczony schemat zjawisk luminescencyjnych (uproszczony schemat Jabłońskiego poziomów energetycznych w luminoforze): C - poziom podstawowy, F - poziom wzbudzony, M - poziom metatrwały, a - absorpcja, b - fluorescencja, d - fluorescencja długożyciowa, e - fosforescencja.

Między stanem podstawowym C, a wzbudzonym F występuje stan metatrwały M. Po wzbudzeniu elektronu do poziomu F (przejście a na rysunku) może on spaść bezpośrednio na poziom podstawowy (przejście b), a średni czas pobytu w stanie wzbudzonym F jest bardzo krótki (
s). Następuje wówczas emisja kwantu fluorescencji.
Jeśli jednak elektron z poziomu F spada bezpromieniście na poziom metatrwały M, to pozostaje on na nim, dopóki energia cieplna (lub inny rodzaj energii) nie podniesie go z powrotem do poziomu F. Elektron podniesiony do poziomu F wraca do poziomu podstawowego, emitując kwant fosforescencji (przejście d), ale opóźniony w stosunku do fluorescencji. Czas życia poświaty fosforescencji zależy od temperatury i wydłuża się wraz z jej obniżaniem. Dla fluorescencji czas ten albo nie zależy od temperatury wcale, albo zależy bardzo słabo. W temperaturach bardzo niskich przejścia ze stanów M do F, a więc i przejścia od F do C po przerwaniu wzbudzenia zachodzą bardzo rzadko. Mówi się wówczas o fosforescencji zamrożonej. W warunkach zamrożenia fosforescencji zaczynają grać pewną rolę bezpośrednie przejścia ze stanu metatrwalego na poziom podstawowy (przejścia e). Otrzymane wówczas słabe świecenie nazywa się fluorescencją długożyciową.

3. Prawo Lamberta-Beera.

W warunkach normalnych absorbowanie promieniowania przez substancję (gaz, ciecz, ciało stałe lub roztwór) można zapisać za pomocą równania:

lub

Gdzie:

I₀ - natężenie monochromatycznego promieniowania padającego;

I - natężenie promieniowania przepuszczonego;

c - stężenie (ewentualnie ciśnienie cząstkowe lub gęstość) próbku;

l - długość drogi, jaką przebywa światło w próbce;

ε - stała charakterystyczna dla danego związku i długości fali padającego promieniowania, nazywana współczynnikiem absorpcji lub molowym współczynnikiem absorpcji.

Poza tym warto dodać, że ε można wyrazić następującym wzorem:

, gdzie

k - molowy współczynnik ekstynkcji;

λ - długość fali pochłanianego światła.

Powyższe prawo empiryczne nazywane jest prawem Lamberta-Beera. Spełnione jest ono z wyjątkiem przypadków, gdy stosuje się promieniowanie o bardzo dużym natężeniu (np. przy użyciu laserów), tak że w dowolnej chwili w danym obszarze próbki znaczna część cząsteczek jest w stanie wzbudzonym, a nie podstawowym.

Ponadto, jak wspominałam wcześniej, ilościową miarą wielkości absorpcji są transmitancja i absorbancja promieniowania. Absorbancję można wyrazić następującymi wzorami:

lub

Transmitancja natomiast wyrażona jest wzorem:

Literatura:

• Sz. Szczeniowski, „Fizyka doświadczalna”, PWN, 1963

• J. A. Baltrop, J. D. Coyle, „Fotochemia podstawy”, PWN, 1987

• H. Szydłowski, „Pracownia fizyczna”, PWN, 1975

• www.wikipedia.org

---