Oddziaływanie fal elektromotorycznych na materię obserwuje się zazwyczaj jako zjawiska załamania, odbicia, pochłaniania i rozproszenia.
Weźmy pod uwagę przedział fal elektromagnetycznych zwanych falami świetlnymi. Światło ulega na ogół osłabieniu podczas przejścia przez substancję. Jeżeli strumień świetlny o natężeniu I0 pada na substancje, to część energii może ulec odbiciu (I1), rozproszeniu (I2) i absorpcji (I3), a pozostała ilość energii przechodzi (I).
I0 = I1 + I2 + I3 +I
Zazwyczaj zjawiska odbicia, rozproszenia i absorpcji występuję jednocześnie. Jeżeli jednak I1 + I2 << I3 to możemy mówić, że zachodzi tylko, zjawisko absorpcji światła.
Zmiana natężenia światła -dI przy przejściu przez warstwę o dowolnie małej grubości dl w roztworze, w którym stężeniu substancji pochłaniającej wynosi c, wyraża się wzorem:
-dI ~ c I dt
-dt = µ c I dl
gdzie µ jest współczynnikiem absorpcji. Z tego równania można wyliczyć natężenie światła przechodzącego.
I = I0 e -µcl
Jest to prawo Lamberta-Beera, które mówi, że natężenie światła przechodzącego przez roztwór substancji absorbującej zależy od natężenia światła padającego, stężenia i grubości warstwy roztworu oraz od współczynnika absorpcji. Współczynnik absorpcji jest wielkością charakteryzującą właściwości absorpcyjne substancji.
Prostszy zapis matematyczny prawa absorpcji otrzymuje się po zlogarytmowaniu wzoru
lg I = lg I0 - µcl | lg e
czyli:
lg µc lg e
Wprowadzając oznaczenie
lgE i µ lg e =ε
można napisać
E = εcl
ε =
W spektroskopi E nosi nazwę ekstynkcji lub gęstości optycznej. Stosunek natężeń wiązek świetlnych można łatwo zmierzyć, dlatego ekstynkcja jest podstawowa wielkością optyczną, którą wyznacza się doświadczalnie. Wielkość ε jest to współczynnik ekstynkcji, który ma taki sam sens fizyczny jak współczynnik absorpcji µ. Współczynnik ekstynkcji ε liczbowo jest równy ekstynkcji warstwy roztworu o jednostkowej grubości i jednostkowym stężeniu.
Inną wielkością używaną w spektroskopii jest transmisja T wyrażona w %.
Związek między transmisją a ekstynkcją jest następujący
Substancje w różny sposób absorbuję światło o różnej częstotliwości. Dlatego współczynnik ekstynkcji ε jest funkcją częstości lub inaczej długości fali
ε(γ) ; ε(λ)
gdzie: λ =
c − prędkość światła
Zależność współczynnika ekstynkcji ε od długości fali lub częstości nazywa się. widmem absorpcji. Widmo absorpcji jest charakterystyczne dla danej substancji.
Widmo absorpcji substancji zależy od struktury cząsteczek tej substancji.. Za pochłanianie fal optycznych w zakresie widzialnym i w ultrafiolecie są odpowiedzialne elektrony walencyjne, czyli tzw. elektrony Π i σ. Widma te w spektroskopii nazywa się widmami elektronowymi. Typowym przykładem widm elektronowych są widma absorpcji roztworów barwników organicznych.
Typowymi przyrządami do pomiaru widm absorpcji są różnego rodzaju spektrofotometry, za pomocą których można zmierzyć ekstynkcję badanej substancji w zależności od długości fali lub częstotliwości światła absorbowanego. Widmo absorpcji można również badać dowolnym zestawem pomiarowym, który pozwoli wyznaczyć E = f(λ).
Absorpcję światła widzialnego i ultrafioletu przez cząsteczki wykorzystuje się w badaniach biologicznych i technologicznych do:
− badania struktury substancji; z położenia maksimum pasm absorpcji można wnioskować o tych parametrach określających strukturę substancji, które są związane z elektronami Π i σ.
analizy ilościowej; z wartości ekstynkcji E wyznacza się stężenie substancji − stanowi to podstawę kolorymetrii.
Z roztworu o stężeniu 1*10-5 mol/l korzystając ze wzoru:
gdzie:
C0 =1*10-5 mol/l − dane stężenie
Vx − potrzebna ilość danej substancji w celu uzyskania odpowiednich stężeń
C1 − stężenie jakie chcemy uzyskać
V0 = 10 ml − ilość substancji jaką chcemy uzyskać
uzyskaliśmy:
| C1 [mol/l] | ΔC1 | Vx [ml] | Woda destylowana [ml] |
|---|---|---|---|
| 1•10-6 | 1,01•10-7 | 1 | 9 |
| 2,5•10-6 | 1,063•10-7 | 2,5 | 7,5 |
| 4•10-6 | 1,16•10-7 | 4 | 6 |
| 6,5•10-6 | 1,423•10-7 | 6,5 | 3,5 |
| 7,5•10-6 | 1,56•10-7 | 7,5 | 2,5 |
| 8,7•10-6 | 1,757•10-7 | 8,7 | 1,3 |
Stężenie odczytane z wykresu:
dla E = f(C)
C = 5,25•10-6±2•10-7 mol/l
dla T = f(C)
C = 5,3•10-6±2•10-7 mol/l
Błędy wielkości odczytywanych:
ΔE = 0,005 dla wielkości 0÷0,4
ΔE = 0,001 dla wielkości 0,4÷1
ΔT = 1%
Δλ = 1 [nm]
Błąd pipety ±0,05 ml jedno nabranie cieczy
ΔV0 = 0,1 ml dwa nabranie cieczy
Błąd w obliczaniu stężeń dla wzoru:
Wyniki błędu obliczeń stężeń zestawione w tabeli powyżej.
Błąd odczytu stężeń odczytanych z wykresu wynosi:
dla E = f(C) oraz T = f(C):
ΔC = 2•10-7 − minimalna podziałka z jaką jest wyskalowana oś x czyli oś z zaznaczonymi stężeniami