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
Promieniowanie elektromagnetyczne (fala
elektromagnetyczna)  rozchodzÄ…ce siÄ™ w przestrzeni
zaburzenie pola elektromagnetycznego.
Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się
wzajemnie.
y
ródłem fali e-m jest zwykle oscylujący
Å‚adunek elektryczny.
Widmo promieniowania
elektromagnetycznego
1020 Hz 104Hz
1 nanometr 1 mikrometr 1 milimetr 1 metr 1 kilometr
Właściwości fal e-m
Promieniowanie e-m opisuje siÄ™ jak inne fale
(częstotliwość - f; długość fali - , energia - E).
Promieniowanie e-m wykazuje tzw. dualizm
korpuskularno  falowy.
W próżni fale e-m rozchodzą się z prędkością 3x108 m/s.
Na rozchodzenie się fal w innych ośrodkach wpływają
właściwości materiałowe ośrodka.
Właściwości promieniowania e-m zależą od długości fali.
Energia promieniowania e-m
Dwa różne aspekty używania terminu  energia :
Strumień energii niesionej przez promieniowanie;
opisywany jako natężenie promieniowania [J/m2s]
(jest pochodną z natężenia promieniowania z
ródła).
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
jonizujÄ…ce-
wszystkie rodzaje
promieniowania, które
wywołują jonizację ośrodka
(tj. oderwanie elektronu od
atomu lub czÄ…steczki)
Większa energia fotonu
promieniowania  większe
prawdopodobieństwo, że wywoła
on jonizację cząsteczek ośrodka
Promieniowanie jonizujÄ…ce
y
ródła promieniowania elektromagnetycznego
Naturalne
Promieniowanie słoneczne
Promieniowanie termiczne
Sztuczne
0.3 mm - 1mm 10cm-10m
Jak powstaje promieniowanie e-m?
Atom  poziomy energetyczne
Każdemu orbitalowi przypisany jest jego
poziom energetyczny.
Elektron może znalez
ć się na wyższym
poziomie energetycznym pochłaniając
foton o odpowiedniej energii lub
otrzymujÄ…c tÄ™ energiÄ™ ze zderzenia z
innym atomem lub czÄ…stkÄ….
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).
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).
Ef = h ×ð c/l =h ×ð f
gdzie: h jest tzw. staÅ‚Ä… Plancka równÄ… 6,63 ×ð 10  34 J ×ð 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 czÄ…steczek
Poziomy energetyczne czÄ…steczek
Krzywe energii potencjalnej stanu podstawowego E1 czÄ…steczki
dwuatomowej.
Poziomy energetyczne czÄ…steczek
Złożoność poziomów
energetycznych czÄ…steczek
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
czÄ…steczkach.
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 czÄ…steczki.
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 z
ródła 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 (czÄ…steczkowe)
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 azotu
Liniowe widmo emisyjne żelaza
Widma pasmowe
W wyniku emisji promieniowania w gazach
czÄ…steczkowych
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.
Przykład widma pasmowego
Widmo powietrza.
Szerokie pasma tlenu czÄ…steczkowego(O2), azotu
czÄ…steczkowego(N2), oraz innych czÄ…steczek.
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 czÄ…steczkowych
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!