4.03.2005

1. Promieniowanie elektromagnetyczne

• Można je określić jako strumień kwantów promieniowania elektromagnetycznego.

• Kwanty promieniowania elektromagnetycznego to przemieszczające się w przestrzeni (także w próżni) porcje energii pola elektromagnetycznego.

• Kwanty to porcje energii o własnościach falowych i korpuskularnych.

• Zjawiskami dowodzącymi, że światło (i ogólnie promieniowanie elektromagnetyczne) ma własności falowe są: dyfrakcja, interferencja i polaryzacja.

• Pole elektromagnetyczne może rozprzestrzeniać się w próżni takie rozprzestrzenianie nazywamy właśnie promieniowaniem elektromagnetycznym; energia tego pola przenoszona jest przez kwanty (czyli trochę fale, a trochę cząstki).

• Ruch postępowy (translacyjny) to przykładowo rzut kamieniem; ruch jakiejś cząstki; masa przemieszcza się po jakiejś drodze; energia kinetyczna zależy od masy i prędkości:
  

• Ruch falowy to przemieszczanie się drgań - rozprzestrzenianie się drgań na jakiejś drodze (np. fala dźwiękowa). W przypadku fali elektromagnetycznej drgają wartości wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego (wektory te są do siebie prostopadłe).

2. Własności ruchu falowego

• Interferencja to nakładanie się fal na siebie; może spowodować wzmocnienie lub osłabienie drgań.

• Dyfrakcja (ugięcie) to ugięcie się fali po napotkaniu przeszkody (zmiana kierunku). Ugięcie zależy od częstości fali. Uginać mogą się tylko fale (dyfrakcji nie ulegają cząstki).

• Polaryzacja to uporządkowanie drgań w płaszczyźnie; fala jest niespolaryzowana, jeśli drganie zachodzi w różnych płaszczyznach. Promieniowanie elektromagnetyczne daje się polaryzować przy pomocy kryształów zwanych polaryzatorami.

3. Według koncepcji Reyleigha promieniowanie elektromagnetyczne jest zjawiskiem typowo falowym. Charakteryzowane jest przez:

• okres (T) - czas jednego pełnego cyklu drgań

• częstość (ν) - ilość pełnych cykli w czasie

• amplituda (A) - wartość maksymalnego wychylenia wielkości drgającej

• długość fali (λ) - najmniejsza odległość pomiędzy punktami w tej samej fazie (lub odległość jaką fala przebiegnie w czasie równym okresowi).

Jeśli fala drga szybko, jej długość jest mała:

c - szybkość rozchodzenia się fali

4. Klasyfikacja promieniowania elektromagnetycznego:

	Rodzaj promieniowania	Długość (λ)	Częstość (ν)
1	Fale radiowe	Powyżej 30 cm	Poniżej 10^9
2	Mikrofale	3 mm - 30cm	10^9 - 10^11
3	Podczerwień (IR)	1000 nm - 3 mm	10^11 - 3 • 10^14
4	Światło widzialne (VIS)	400 - 800 nm	4 • 10^14- 8 • 10^14
5	Ultrafiolet (UV)	3 - 300 nm	10^15- 10^17
6	Promieniowanie Rentgena (RTG)	0,1 - 3 nm	10^17- 10^19
7	Promieniowanie gamma (γ)	Poniżej 0,1 nm	Powyżej 10^19

• Ruch falowy to fala ciągła; pomiędzy źródłem, a punktem pomiarowym wszystkie punkty drgają.

• Fala może być gasnąca (wychylenia zmniejszają się); zależy to od odległości lub czasu.

Ze względu na kierunek drgań wyróżniamy fale:

• podłużne - drgania wzdłuż kierunku rozchodzenia się (np. fala dźwiękowa)

• poprzeczne (prostopadłe) - drgania w poprzek kierunku rozchodzenia się (fala na wodzie, fala na strunie, fala elektromagnetyczna)

5. Koncepcja Plancka

Zjawiska dowodzące własności korpuskularnych / kwantowych własności światła:

• zjawiska fotoelektryczne

• zjawisko Comptona

• wywieranie ciśnienia przez światło

• pochodzenie światła - skwantowane energie oscylatorów (układów drgających)

Według Plancka najmniejsza porcja promieniowania (energia pojedynczego kwantu) to:

Energia ta zależna jest od częstości.

Natomiast energia wiązki światła (natężenie lub intensywność) to:

wyrażona w [J/m²s], czyli moc przeniesiona przez jednostkę powierzchni

• Oscylatory mają energie skwantowane - zmiany energii drgań odbywają się skokowo, a nie ciągle. Dobrze widać przy wysokich częstościach fali.

• Na podstawie teorii Plancka wytłumaczono widmo wysyłane przez ciało doskonale czarne.

• Fala stojąca to fala uzyskana w wyniku nałożenia fal o tych samych amplitudach, ale przeciwnych zwrotach (czyli na drodze od źródła do miejsca odbicia mogą występować miejsca niedrgające - obserwujemy tylko drgania, brak przemieszczania się)

• Zjawisko Comptona dowodzi, że kwanty mają charaktre korpuskularny (kwant oddziałuje z elektronem).

• Planck nie zaprzeczył falowemu charakterowi promieniowania elektromagnetycznego, ale stwierdził, że fala rozprzestrzenia się skokowo. Promieniowanie to ma charakter korpuskularno-falowy

h - stała Plancka

Dzięki tej koncepcji zmierzono również ciśnienie światła

• 
  Zjawisko fotoelektryczne - niektóre cała (zwłaszcza metale, np. cynk) pod wpływem padającego światła zdolne są do wybicia elektronów ze swej powierzchni. Zjawisko to zachodzi dopiero przy określonej częstości promieniowania, jeśli porcja energii jest niższa od tzw. pracy wyjścia, zjawisko nie zachodzi. Różne metale maja różne prace wyjścia.

W - praca wyjścia elektronu

• Pędzące cząstki mogą zachowywać się jak fale (występuje dyfrakcja, interferencja i polaryzacja), czyli ruch cząstek ma także właściwości falowe, a ruch fal ma właściwości korpuskularne.

Pęd kwantu (ciśnienie światła)

Natomiast pęd cząstki:

λ - długość fali De Broglia'a

6. Spektroskopia

• Spektroskopia to zbiór metod analitycznych i badawczych dotyczących promieniowania emitowanego (wysyłanego) lub absorbowanego (pochłanianego) w różnych zakresach energii kwantów (różne częstości, długości fali).

• Widmo (spektrum) to rozkład (funkcja) natężenia promieniowania w zależności od częstości lub długości fali. Widmo może być przedstawiane jako funkcja matematyczna, diagram, wykres, bądź obraz fotograficzny

7. Kierunki zastosowań spektroskopii

a) badania naukowe - badanie struktury chemicznej

• Identyfikacja grup funkcyjnych i wiązań.

• Badanie oddziaływań międzycząsteczkowych.

• Sprawdzanie konfiguracji i konformacji cząstek.

b) analiza jakościowa i ilościowa roztworów

• Wykrywanie związków w mieszaninach.

• Oznaczanie stężeń.

8. Zasada konstrukcji spektrometrów.

• Konstrukcja spektrometrów powinna umożliwiać pomiar zarówno widma (spektrum) w określonym zakresie długości fal, jak i poziomu intensywności promieniowania przechodzącego przez próbkę lub emitowanego przez próbkę, dla wybranej (nastawnej w aparacie) częstości fali.

• Zasadniczo spektrometr składa się z źródła promieniowania, monochromatora I, próbki, próbki kontrolnej, monochromatora II oraz detektora.

9. Klasyfikacja spektroskopii według zakresu częstości.

• Rentgenowska zakres fal RTG

• Elektronowa zakres fal UV i VIS

• Oscylacyjna zakres fal IR (oscylacja to drgania wiązań)

• Rotacyjna zakres dolnej podczerwieni (IR)

• Jądrowego Rezonansu Magnetycznego (NMR) zakres mikrofal i fal radiowych

• Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (RPR) zakres mikrofal

10 Klasyfikacja spektroskopii pod względem rodzaju widma.

• Absorbcyjna z niższej do wyższej

• Emisyjna z energii wyższej do niższej; często wydajność emisji nie jest 100%

E - emisja

A - absorbcja

PB - przejście bezpromieniste

11. Klasyfikacja widm według charakterystyki i pochodzenia

• Liniowe (atomowe) widmo eletronowe

• Pasmowe (cząsteczkowe) nierozdzielone częstości pochodzące od przejść niewiele różniących się energetycznie (rotacyjnych lub oscylacyjnych)

• Przejścia elektronowe (zmiana poziomu energetycznego elektronu) charakteryzują się najwyższą energią. Przejścia oscylacyjne (zmiana poziomu energetycznego drgań pomiędzy atomami) wymagają energii o rząd niższej, niż w przypadku przejścia elektronowego. Najmniej wymagającą zmianą jest przejście rotacyjne (energia poruszania się cząsteczek wokół własnej osi); energia takiego przejścia jest o rząd niższa, niż dla przejścia oscylacyjnego.

• W ten sposób powstaje widmo cząsteczkowe (składają się na nią widma przejść elektronowych, oscylacyjnych i rotacyjnych)

S₀ - S₁ przejście elektronowe

V₁ - V₂ przejście oscylacyjne

kreski pomiędzy przejściami oscylacyjnymi to poziomy rotacyjne

Oczywiście tych poziomów powinno być więcej, ale zastosowałem tu taki skrót, żeby się za dużo nie na malować.

• Przy opisywaniu wykresu uzyskanego w spektrometrze należy liczyć się z tym, że liczba falowa jest odwrotnością długości fali (!!! SPRAWDŹCIE TO !!! bo nie jestem pewny)

• Należy zwrócić uwagę na szerokość pasma (ilość stanów wpływających na rozmycie) oraz szerokość połówkową (mierzoną w połowie wykresu)

5

chemia fizyczna wykład z 4.03.2005

---