Đại cương về phân tích quang phổ

Giải thích được hiện tượng hấp thụ ánh sáng và quan hệ giữa bước sóng và năng lượng của bức xạ điện từ.. Trình bày được các ứng dụng và trở ngại của hiện tượng tán sắc, tán xạ, phân cực

 ĐẠI CƯƠNG VỀ

CHƯƠNG 2

  1.Trình bày được bản chất, các đại lượng đặc trưng của bức

xạ điện từ và vị trí của các vùng trên phổ bức xạ điện từ

  2 Giải thích được hiện tượng hấp thụ ánh sáng và quan hệ giữa bước sóng và năng lượng của bức xạ điện từ.

  3 Trình bày được những đặc điểm khác nhau giữa hấp thụ nguyên tử và hấp thụ phân tử cùng các ứng dụng chính của chúng trong phân tích.

  4 Trình bày được các ứng dụng và trở ngại của hiện tượng tán sắc, tán xạ, phân cực ánh sáng, cộng hưởng từ hạt nhân trong phân tích.

NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU

1.BẢN CHẤT VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

• CƠ SỞ NGUYÊN LÝ

Dựa trên bức xạ điện từ được phát ra hay bị hấp thụ từ mẫu

Dựa vào đặc tính của bức xạ phát ra hay hấp thụ và cường độ của chúng và người ta có thể định tính hay định lượng thành phần các chât có trong mẫu

1.2 Tính chất sóng của bức xạ điện từ

  Các bức xạ điện từ là những dao động lan truyền theo một phương với vận tốc ánh sáng trong chân không (-3.10 8 m/s) với hai thành phần điện trường và từ trường Hai thành phần này dao động vuông gốc với phương truyền của bức xạ trong hai mặt phẳng vuông gốc với nhau Chính thành phần điện trường của bức xạ điện tử tương tác với nguyên tử hoặc phân tử gây ra hiệu ứng phổ hấp phụ nguyên tử hay phân tử Đặc trưng do dao động của bức xạ là bước sóng và tần số sóng.

  Tính chất sống: để giải thích hiện tượng nhiễm xạ, giao thoa

1.BẢN CHẤT VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

 Các đại lượng đặc trưng của sóng:

  Bước sóng () là đại lượng đặc trứng cho các bức xạ điện từ Bước sóng là khoảng cách nhắn nhất giữa 2 dao động cùng pha, đơng vị là A = 10 -10 m, 1nm= m, 1m= m

  Số sóng ( ): giá trị nghịch đảo của bước sóng Đơn vị

  =

  Tần số sóng (v): số lần dao động/giây Đơn vị là CPS (cycle per seccond)= 1Hz (Hezts) hoặc bội số của hezts.

  v =

 

Lưu ý : Trong môi trường khác nhau vận tốc lan truyền của bức xạ là khác nhau nên bước

lượng tần số sóng luôn luôn không thay đổi.

   

1.2 Tính chất sóng của bức xạ điện từ

1.2 Tính chất sóng của bức xạ điện từ

 1.3 Tính chất hạt của các bức xạ điện từ: Bức xạ điện tử là những hạt mang năng lượng được lan truyền với vận tốc

ánh sáng Các hạt mang năng lượng gọi là các photon :

E = E 1 – E 0 = hv =h Trong đó: h hằng số Planck có giá trị là 6,6256× erg.sec

  Hay h= 6,6208×J.s

  c tốc độ ánh sáng 3.m/s

  : bước sóng

  v: tần số sóng

  E: hiệu của hai mức năng lượng

  Tính chất hạt để giải thích hiện tượng quang điện

   

1.BẢN CHẤT VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

2 SỰ HẤP THỤ VÀ

TÁN SẮC ÁNH SÁNG

2.1 Sự hấp thụ ánh sáng

a Định luận về sự hấp thụ ánh sáng và phổ hấp thụ của một chất

Giả sử một môi trương đồng tính được giới hạn bởi 2 mặt phẳng song song có độ dày l, một chùm sáng

có cường độ Io rọi vuông góc lên mặt trước môi trường và gọi cường độ của ánh sáng phát ra mặt sau môi trường là I Ta tách một lớp mỏng bề dày dx, gọi là cường độ ánh sáng mặt trước của lớp mỏng đó là i và mặt sau là i+di với di<0 khi đó độ giảm cường độ di được xem là tỷ lệ với cường độ i tới lớp và bề dày của lớp dx

  di = -k.i.dx

  Hệ số k được gọi là hệ số hấp thụ của môi trường

  Bỏ qua phần năng lượng ánh sáng phản xạ và tán xạ,

  biến đổi và lấy tích pjaan 2 vế ta có:

 Đường cong biểu diễn khả năng hấp thụ của một chất theo bước sóng (tần số hay số sóng) được gọi là đường cong hấp thụ hay phổ hấp thụ của chất đó

 Phổ hấp thụ của các chất rắn và lỏng thường chứa những dải hấp thụ rộng với hệ số k có giá trị lớn trong một miền phổ rộng từ hàng chục đến hàng trăm nanomet Nhiệt độ và áp suất càng thấp thì dải hấp thụ càng hẹp

 b) Môi trường có hệ số hấp phụ âm

 Thông thường môi trường hấp phụ có hệ số dương và ánh sáng truyền cho môi trường bị làm yếu đi Nhưng cũng có một số môi trường có hệ số hấp phụ k âm với một số bước sóng nào đó của bức xạ Khi

đó cường độ bức xạ tương ứng tăng dần trong môi trường này và môi trường có hệ số hấp phụ âm trở thành máy khuếch đại ánh sáng Môi trường có hệ số hấp phụ âm là cơ sở để thực hiện máy phát lượng

tử ánh sáng.

2.1 SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG

 c) Sự giải toả năng lượng sau khi hấp thụ ánh sáng

  Theo thuyết lượng tử, mỗi hạt sơ cấp có một hệ thống trạng thái năng lượng Ở nhiệt độ thường các hạt sơ cấp hầu hết ở trạng thái năng lượng thấp-trạng thái cơ bản Khi một photon ánh sáng đi gần hạt đó sự hấp thụ có thể xảy ra và chỉ có

thể xảy ra khi photon đó mang đúng bằng chênh lệch năng lượng giữa trạng thái cơ bản và trạng thái cao hơn của hạt

đó, khi đó năng lượng photon chuyền qua hạt sơ cấp này và nó sẽ được chuyển lên trạng thái cao hơn-trạng tháo kích thích

 2.2 Màu sác của ánh sáng và một số biện pháp tạo chùm tia đơn sắc

 a Màu sắc của ánh sáng

  Ánh sáng quang học là một phần trong phổ các bức xạ điện từ và được chia làm 3 vùng:hồng ngoại, khả kiến và tử ngoại

2 SỰ HẤP THỤ VÀ TÁN SẮC ÁNH SÁNG

Các bức xạ trong vùng khả kiến (VIS) có thể nhìn thấy được

Với các màu sắc khác nhau Vùng khả kiến bao gồm 7 màu chính

đỏ, cam, vàm, lục, lam, chàm, tím với các dãi bước sóng khác

 b Màu phụ nhau và kính lọc màu

Vd: một vật có màu lam hấp thụ mạnh các tia màu vàng và ngược lại vật có màu vàng hấp thụ mạnh các tia có màu

lam và chúng hình thành một cập màu phụ nhau hay gặp màu bổ sung nhau Để tạo nguồn bức xạ có độ đơn sắc

người ta dùng kính lọc có màu phụ với dung dịch cần đo

2.2 Màu sắc của ánh sáng và một số biện pháp tạo chùm tia

đơn sắc

Màu sắc của Ánh sáng hấp thụ Màu sắc nhìn thấy của chất (màu bổ trợ)

Tím

Lam

Lục Lục vàng

Vàng

Da cam Đỏ

Lục vàng

Vàng

Đỏ tía Tím

Lam

Lam lục Lục lam

 c Hiện tượng tán sắc và tạo tia đơn sắc bằng lăng kính

  Hiện tượng tán sắc đã được biết từ lâu nhưng Newton là người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng một

cách đầy đủ và nên được ý kiến xác đáng

  Dựa trên hiện tượng này người ta sử dụng các

 lăng kính với các chất liệu thích hợp để tạo ra

 các chùm tia đơn sắc trong các máy quang phổ

2.2 Màu sắc của ánh sáng và một số biện pháp tạo chùm tia

đơn sắc

 d Nhiễm xạ qua khe hẹp và tạo tia đơn sắc bằng các tử

  - Hiện tượng nhiễm xạ xảy ra khi cho ánh sáng đi qua một lỗ nhỏ Nếu thay lỗ nhỏ bằng khe hẹp dài

vô hạn thì ảnh nhiễm xạ của nguồn là một hệ vân sáng tối xen kẽ

  - Một màng chắn mang N khe hẹp dài vô hạn có cùng độ rộng

 b, đặt song song và cách đều nhau những khoảng c

  - Một hệ thống như vậy được gọi là cách tử, khoảng cách c+b

 được gọi là khoảng lập hay hằng số cách tử Nếu chiếu lên cách

 tử một chùng sáng tạp chất thì cách tử có khả năng phân tích một

 chùm sáng tạp sắc thàng quang phổ gọi là quang phổ cách tử

2.2 Màu sắc của ánh sáng và một số biện pháp tạo chùm tia

đơn sắc

2.2 Màu sắc của ánh sáng và một số biện pháp tạo chùm tia

đơn sắc

 2.3 Sự hấp thụ nguyên tử

 a Điều kiện để có sự hấp thụ nguyên tử

  - Nguyên tử gồm hạt nhân và các electron chuyển động quanh không gian của hạt nhân trong các orbital

  - Khi nguyên tử ở trang thái hơi nguyên tử tự do, nếu có chùm tia sáng chiếu vào đám hơi nguyên tử đó

thái cơ bản lên trang thái kích thích Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thía hơi

- Phổ hấp thụ nguyên tử là các vạch hấp thụ tại các bước sóng tương ứng nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ Cho nên đối với các vạch phổ quá trình hấp thụ và phát xạ là hai quá trình ngược nhau

2 SỰ HẤP THỤ VÀ TÁN SẮC ÁNH SÁNG

 Giản đồ năng lượng (hình2.6.a) và phổ hấp thụ của hơi natri (hình2.6.b).

2.3 Sự hấp thụ nguyên tử

 b Một số ứng dụng của sự hấp thụ nguyên tử trong phân tích

  Các ứng dụng của phổ hấp thụ nguyên tử có thể được phân loại theo nguồn năng lượng được nguyên tử hấp thụ (bức xạ, nhiệt, tia lửa điện, plasma ) và quá trình hấp thụ, phát xạ hay huỳnh quang Trong phân tích thường áp dụng các loại phân tích sau:

  - Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

  - Quang phổ phát xạ nguyên tử (AES)

  - Quang phổ phát xạ nguyên tử với nguồn plasma (ICP)

  - Quang phổ huỳnh quang nguyên tử

2.3 Sự hấp thụ nguyên tử

 2.4 Sự hấp thụ phân tử

 a Sự hình thành các mức năng lượng khác nhau trong phân tử

  Năng lượng tổng của một phân tử bao gồm nhiều năng lượng thành phần: năng lượng chuyển động tịnh tiến của phân tử (Et), năng lượng của electron (Ee), năng lượng của các dao động (Ev) và năng lượng

chuyển động quay (Er):

  Etổng = Et + Ee + Ev + Er

  trong đó năng lượng Ee lớn hơn rất nhiều so với Ev và Ev lớn hơn rất nhiều so với Er: Ee>>Ev>>Er

2 SỰ HẤP THỤ VÀ TÁN SẮC ÁNH SÁNG

2.4 Sự hấp thụ phân tử

 b Một số ứng dụng của sự hấp thụ phân tử trong phân tích

  Những ứng dụng phổ biến của phổ phân tử trong phân tích có thể là:

  - Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-VIS)

  - Quang phổ hồng ngoại (IR)

  - Quang phổ hình quang

2.4 Sự hấp thụ phân tử

3 ỨNG DỤNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC KHÁC VỚI

PHÂN TÍCH

3.1 Sự tán xạ ánh sáng

Khi ánh sáng truyền qua một môi trường, một phần ánh sáng bị đổi hướng cường độ áng sáng bị phân

bổ lại trong không gian Hiện tượng này gọi là tán xạ ánh sáng

3.1 Sự tán xạ ánh sáng

- Môi tường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì sóng thẳng truyền vào môi trường đó , mặt sóng tịnh tiến song song với chính nó ( mãi mãi là phẳng)

- Môi trường trong suốt , có những chỗ không hoàn toàn đồng tính, kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng thì thì mặt sóng ánh sáng trong môi trường không còn phẳng nữa

 Các nguyên nhân gây tán xạ

 1 Tán xạ do môi trường vẩn (Tán xạ Tyndal).

  Môi trường vẫn là môi trường trong suốt chứa những hạt nhỏ lửng lơ như khói và sương mù chằng hạn

  Chiếu chùm tia sáng song song qua một chậu thủy tinh đựng nước cất

 Nếu nhìn vương góc với chùm sáng hầu như không nhận thấy chùm

 sáng Nhỏ một vài giọt nước hoa vào chậu, nước bị vẩn đục và khi đó

  đường truyền của chùm sáng được thấy rất rõ(hình 2.10) Điều đó

 3.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng

  Giao thoa ánh sáng thực chất là sự phân bố năng lượng dao động trong không gian, tồn tại với những

điểm luôn luôn giao động với biên độ cực đại xen kẻ với những giao động biên độ cưc tiểu Trong đó, sự

phân bố phải ổn định với hiệu pha của 2 bước sóng phải không đổi trong khoảng thời gian giao động

  Được ứng dụng trong chế tạo thiết bị đo chiết suất của các chất khí (giao thoa kế Reyleigh, giao thoa kế Michelson ), kiểm tra sự gồ ghề của các mặt quang học, bề dày của bảng mỏng (như bề dày của các lớp điện môi )

3 ỨNG DỤNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC

KHÁC VỚI PHÂN TÍCH

3.2 Hiện tượng giao thoa ánh sáng

 3.3 Hiện tượng nhiễm xạ áng sáng

- Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi phương truyền sóng bị thay đổi do hình thành các tâm phát sóng thứ phát tại các

lỗ nhỏ hay khe hẹp.

 Các vệt sáng tối xen kẻ 2 bên vệt sáng

 Theo nguyên lí truyền thẳng của ánh sáng

3 ỨNG DỤNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC

KHÁC VỚI PHÂN TÍCH

 Hiện tượng nhiễm xạ được ứng dụng để tán sắc nhằm tạo ra các chùm toa đơn sắc từ ánh sáng tạp sắc bằng cách tử.

3.3 Hiện tượng nhiễm xạ ánh sáng

 3.4 Hiện tượng phân cực của ánh sáng

  Ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng thông dụng không có phương giao động ưu tiên

  Nếu mỗi dao động sóng được biểu diễn bằng một vectơ hướng theo phương giao động thì ánh sáng tự nhiên được biểu diễn bằng một giản đồ vô số vectơ có độ dài như nhau và phân bố đều xung quanh tia sáng và đều vương góc với phương truyền

3 ỨNG DỤNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC

KHÁC VỚI PHÂN TÍCH

  Hiện tượng ánh sáng tự nhiên sau khi đi qua một số vật liệu đặc biệt chỉ còn dữ lại một phương dao động được gọi là hiện tượng phân cực ánh sáng Ánh sáng có tính chất như vậy được gọi là ánh sáng phân cực.

  Một số chất hoạt quang có khả năng quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực Dựa vào tính chất này người ta có thể định tính và định lượng chúng bằng các phân cực kế

3.4 Hiện tượng phân cực của ánh sáng

 3.5 Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

Là hiện tượng hạt nhân nguyên tử nằm trong từ trường hấp thu hoặc phát xạ một bức xạ điện từ Bằng các biện pháp thích hợp người ta làm xuất hiện các tiến hiệu tương ứng các nguyên tố đặc biệt trong

những nhóm chức, cũng như sự tương tác của các nhóm chức

ứng dụng rộng rãi để xác định cấu trúc lập thể một cách chi tiết của các hợp chất hữu cơ Ứng dụng

định lượng và còn được ứng dụng trong một số thiết bị chuẩn đoán hình ảnh dùng trong y học

3 ỨNG DỤNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC

KHÁC VỚI PHÂN TÍCH

3.5 Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

câu hỏi ôn tập