ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI

SPRAWOZDANIE

Temat: Zjawisko absorpcji i emisji światła w analityce. Pomiar widm absorpcji i stężenia ryboflawiny w roztworach wodnych za pomocą spektrofotometru.

1) Falowa teoria światła to teoria, zgodnie z którą światło traktuje się jako falę elektromagnetyczną. Uważa się dziś, że zjawiska charakterystyczne dla fal można wyjaśnić tylko za jej pomocą. Jednakże w przeciwieństwie do opozycyjnej teorii korpuskularnej teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk.

Teoria korpuskularna światła to teoria, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek. Uważa się dziś, że zjawiska interferencji światła (czyli nakładania się wiązek świetlnych) można wyjaśnić tylko za pomocą falowej teorii światła. Na podstawie tej teorii wzmacnianie lub osłabianie wiązek świetlnych wyjaśniamy nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła nie może tego wyjaśnić, jednakże teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk.

Przyjmuje się, że światło ma naturę dualną.

2) Absorpcja - w optyce proces pochłaniania energii fali elektromagnetycznej przez substancję. Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku absorpcji, lecz również na skutek rozpraszania światła. O ile jednak promieniowanie rozproszone opuszcza ciało, to część zaabsorbowana zanika powodując wzrost energii wewnętrznej tego ciała. W procesie absorpcji światło zachowuje się jak strumień cząstek elementarnych i może być pochłaniane tylko w określonych porcjach, których wielkość zależy od częstotliwości światła. Energia jest wymieniana w kwantach (fotonach - cząstki elementarne nieobdarzone masą, m = 0). Energia takiego kwantu jest proporcjonalna do częstotliwości drgań fali promieniowania i opisuje ją równanie:

E = hν

gdzie,

E - energia kwantu;

h - stała Plancka = 6,626 069 57(29)·10^-34 J·s = 4,135 667 516(91)·10^-15 eV·s;

ν - częstotliwość światła.

3) Prawo Lamberta-Beera - opisuje pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przy przechodzeniu przez częściowo absorbujący i rozpraszający ośrodek. Absorbancja jest proporcjonalna do stężenia substancji barwnej i grubości warstwy.

A = k c l

gdzie:

A - absorbancja;

k - współczynnik absorpcji charakterystyczny dla danej substancji;

c - stężenie substancji absorbującej;

l - grubość warstwy substancji absorbującej.

Prawo to można zapisać też tak:

gdzie:

I₀ - natężenie promieniowania padającego;

I - natężenie promieniowania po przejściu przez warstwę o grubości x;

Α - współczynnik absorpcji charakterystyczny dla każdej substancji;

x - grubość warstwy;
α - współczynnik absorpcji.
Współczynnik absorpcji jest niezależny od stężenia substancji. Absorpcja rośnie wraz ze wzrostem stężenia substancji. Wartość absorpcji kilku składników równa się sumie wartości absorpcji poszczególnych składników.

g

4) Absorbancja - natężenie światła zmienia się wykładniczo wraz z grubością substancji. Aby ułatwić obliczanie wielkości absorpcji, wprowadzono w miejsce natężenia absorbancję zwaną również gęstością optyczną. Oznacza się ją symbolem ABS lub A. Absorbancja jest miarą absorpcji promieniowania i wyraża się wzorem:

ABS = log (I₀/I)

gdzie:

ABS - absorbancja;

I₀ - natężenie światła padającego;

I - natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek.

5) Transmitancja wskazuje, jaka część promieniowania padającego została przepuszczona przez substancję. Wyraża się ona wzorem:

T = I/I₀

gdzie:

T - transmitacja;

I₀ - natężenie światła padającego;

I - natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek.

Można ją również wyrażać w procentach

T [%] = I/I₀ × 100%

Absorbancja powiązana jest z transmitancją wzorem:

ABS = log (1/T).

6) Absorbancję naturalną wyrażoną wzorem:

ε = ln (I₀/I)

nazywa się również ekstynkcją promieniowania elektromagnetycznego. Absorbancja (A), zwana też ekstynkcją (E) lub gęstością optyczną (D), równa się logarytmowi stosunku natężenia promieniowania padającego (Io) do natężenia promieniowania przepuszczonego (I).

Zgodnie z prawem Lamberta-Beera absorbancja substancji pochłaniającej światło jest wprost

proporcjonalna do stężenia i grubości warstwy roztworu, którego matematyczny

zapis to:

A = ε c l

gdzie,

A - absorbancja;

ε - współczynnik absorpcji;

c - stężenie substancji absorbującej;

l - grubość warstwy substancji absorbującej.

Jeśli stężenie roztworu (mol/l) i grubość jego warstwy (w cm) są równe jedności, to wówczas współczynnik absorpcji (ε) równa się wartości mierzonej absorbancji, A = ε, dlatego nazywa się molowym współczynnikiem absorpcji. Wzór na współczynnik absorpcji:

ε = A/c l

gdzie,

ε - molowy współczynnik absorpcji;

A - absorbancja;

c - stężenie substancji absorbującej;

l - grubość warstwy substancji absorbującej.

7) W badaniach spektroskopowych struktury atomu lub cząsteczek oraz w chemii teoretycznej stosuje się konwencjonalną notację poziomów energetycznych (tzw. notacja spektrometryczna), liczbie kwantowej l = 0,1,2,3,4,... przypisuje się odpowiednio litery s, p, d, f, g,. .., zgodnie z nią poziomy energetyczne (dla sprzężenia LS) o n = 2, l = 0, m = 1 zapisuje się 22s1/2, gdzie: 2 na początku równe jest n (często bywa opuszczane), 2 w górnym indeksie przed s oznacza krotność poziomu, 1/2 w dolnym indeksie po s oznacza wartość całkowitego momentu pędu J.

8) Widmo absorpcyjne - widmo, które powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez substancję fotonów tylko o określonych długościach fali - takich, które mogą spowodować wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek. Widmo absorpcji określa zależność pomiędzy ilością promieniowania absorbowanego a długością fali. W obszarze widzialnym może mieć postać ciemnych prążków lub pasm na tle ciągłego widma emisyjnego i jest charakterystyczne dla każdej substancji.
Długość fali λ - odległość mierzona między dwoma sąsiednimi punktami będącymi w tej samej fazie.

Innymi wielkościami charakteryzującą falę elektromagnetyczną są :częstość drgań ν.
Jednostką częstości jest
natomiast określa ona ilość drgań na jednostkę czasu, liczba
falowa k, która określa liczbę długości fal w jednostce długości. Jednostką jest Kejzer.


Związek pomiędzy liczbą falową a długością fali określa równanie:



9) Wykorzystanie widm absorpcji do analizy ilościowej i jakościowej:
- analiza jakościowej substancji - na podstawie położenia maksimum pasm absorpcji można identyfikować substancję absorbującą oraz wywnioskować o tych parametrach określających strukturę substancji, które są związane z elektronami π i σ;
- analiza ilościowa - z wartości absorbancji A wyznacza się stężenie substancji, co stanowi podstawę analizy ilościowej. Jest to metoda zwana spektrofotometrią absorpcyjną. Jeżeli w metodzie tej stosuje się światło widzialne, to często nazywa się ją metodą kolorymetryczną.

Lp.	λ (nm)	E (A)	T

Długość fali

---