Tìm hiểu sự tương tác của sóng điện từ với vật chất bằng việc đo phổ hấp thụ

Trang 1

Mở đầu 1 Lí do chọn đề tài

Phố hấp thụ là kết quả sự tương tác của sóng điện từ với vật chất Đây chính là một quá trình lượng tử hoá, nó gắn liền với cấu trúc vật chất của môi trường hấp thụ Dựa vào kết quả đó mà ta xác định được cấu trúc vật chất của môi trường mà ta nghiên cứu

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đích

Khảo sát máy phân tích quang phố(SpectrôcoloriMeter), từ đó vận dụng các định luật của sự hấp thụ bức xạ điện từ và sử dụng phương pháp nghiên cứu phân tích quang học để xác định dải hap thu cua dung dich NaCl, một số màng mỏng kết quả nghiên cứu ở trên đưa ra khả kiến về chọn nguồn bức xạ điện từ, dung dịch nghiên cứu với nguồn sáng đơn sắc mà ta dùng để thu được kết quả tốt nhất

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định rõ nội dung kiến thức liên quan từ đó đề xuất phương pháp nghiên cứu phù hợp đó là:

- Cách chọn dụng cụ thí nghiệm - Cách chọn mẫu thí nghiệm

- Thực hiện và xác định kết quả thí nghiệm

Qua phần thực nghiệm làm rõ hiện tượng hấp thụ ánh sáng từ đó xác định dai phố hấp thụ của dung dịch NaCl, một số màng mỏng

3 Đối tượng nghiên cứu

-Dung dich NaCl

-Một số màng mỏng(Au, Pt, TIO, TIOs)

Trang 2

4 Phạm vỉ nghiên cứu

- Nghiên cứu hiện tượng hấp thụ

-Ðo phổ truyền qua một số màng mỏng

5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Khảo sát cấu trúc của máy quang phố, thấy rõ được sự tương tác của sóng điện từ với vật chất thông qua phố hấp thụ và phổ truyền qua một số mẫu, rèn luyện các thao tác thực nghiệm

6 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Trang 3

chương 1 Các phương pháp phân tích quang học 1.1 Tương tác của bức xạ điện từ với vật chất

Để nhận biết được các dấu hiệu của các phần tử hoá học, trước tiên ta hãy xét sự tương tác của bức xạ với các phần tử hoá học này

Trong giới hạn bài nghiên cứu khoa học này ta chỉ nghiên cứu hiện tượng hấp thụ, hiện tượng này như sau:

Nếu một chùm bức xạ điện từ chiếu đến mẫu hoá học thì có thể mẫu

hoá học sẽ hấp thụ một phần nào đó của bức xạ

Hiện tượng này được biểu diễn trên hình 1.a E “==——d——> z Ea MEu haa tO Po hac vii =P = AB =v nảng & C E, 1a 1.b HI

1.a: Sơ đồ chỉ ra mối quan hệ giữa công suất bức xạ đến (pạ) và đi qua mẫu (p) của chất hấp thụ với nồng độ C trong curvet, bề đày của lớp hấp thụ là d

1.b: Sơ đồ chuyên năng lượng phân tử trong quá trình hấp thụ photon với năng lượng #, Trong thời điểm hấp thụ phân tử được chuyền từ trạng thái cơ bản (E¡) lên trạng thái kích thích (E2)

Mỗi một tần số (v,, v,, v,, ) chứa trong chùm bức xạ có năng lượng riêng là (hư,, hư,, hựw,, ) Nếu hiệu giữa các mức năng lượng trong sự chuyển năng lượng của phân tử đúng bằng một trong các giá trị năng lượng trên thì mẫu sẽ hấp thụ bức xạ ở tần số tương ứng với năng lượng đó

Trong hình 1.b ta đưa ra các mức năng lượng E¡, E¿ Trước khi tương tác phần tử (phần tử, nguyên tử hay ion) tồn tại ở trạng thái cơ bản E sau khi

Trang 4

tương tác với bức xạ nó bị kích thích và chuyên lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn Ea Trong sự kích thích này phân tử hấp thụ một năng lượng

hy, dung bằng hiệu năng lượng giữa các trạng thái E¡ và E¿ tức là:

hw,=E; -E¡ =AE (1)

Năng lượng cần thiết cho sự kích thích phần tử đến một trạng thái năng lượng cao có được do hấp thụ bởi phần tử này một công suất nào đó của bức xạ, ở đây công suất chung của bức xạ sẽ bị giảm đi chỉ ở tần số hấp thụ tụ

Như vậy sau khi có sự tương tác của chùm bức xạ với các phần tử hấp

thụ của mẫu chùm bức xạ sẽ đi ra khỏi mẫu với công suất bị giảm đi còn lại là P Kết quả này cho khả năng nhận biết các thành phần của mẫu theo phổ hấp thụ của chúng, tức là trên cơ sở các tần số bức xạ đã bị hấp thụ Ngoài ra sự giảm đi công suất bức xạ của chùm sáng ở tần số này lại liên hệ với số lượng của phần tử hoá học hấp thụ có trong mẫu Đây là cơ sở của phép phân tích định lượng

1.2 Xem xét bức xạ điện từ theo quan điểm hoá quang phố

Trang 5

Hình 2 Có biêu diễn một sóng điện từ dao động hình sin truyền trong

không gian theo một hướng nào đó Sóng gồm thành phần điện E và thành

phần từ H vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng v được truyền trong không gian với vận tốc không đổi bang 3.10°(m/s) Giả thiết sóng có tần số không đối là w Khoảng cách giữa hai cực đại gần nhau nhất hoặc

hai cực tiểu gần nhau nhất được gọi là bước sóng (độ dài sóng 4) 4 là

khoảng cách mà sóng đã truyền trong một chu kì dao động của nó Vì vậy ta có thể tính bước sóng 4 theo công thức sau: A=cl=# (2) VY Đơn vị của bước sóng là mét (m), micrômet (zm), nanomet (nm), amstrong ( A”) Ta thấy 4 tỉ lệ nghịch với tần số vvà vì vậy cũng tỉ lệ nghịch với năng lượng E Bước sóng, tần số được dùng để biểu diễn phổ, chúng thay thế được cho nhau

Đối với phép phân tích quang phổ còn có một số đặc tính của sóng điện từ quan trọng nữa Một trong số đó là độ đơn sắc xác nhận về tần số quang phô của sóng

Một tính chất quan trọng khác của sóng điện từ là sự phân cực của nó, các sóng điện từ không phân cực có hướng ngẫu nhiên của các thành phần điện và từ theo hướng truyền sóng, trên hình 2 Điều này có nghĩa là các véc tơ Evà Hvuéng góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng Công suất bức xạ (P) tỉ lệ thuận với bình phương biên độ sóng Trong hố quang phơ nó là đại lượng quan trọng vì nó là số năng lượng được chuyển vào dạng bức xạ điện từ trong một đơn vị thời gian Nếu năng lượng photon là E thì

công suất bức xạ có thê biểu diễn nhờ biểu thức: p=E.@=hwø (3)

Trang 6

j: chùm photon (lượng tử) trong một đơn vị thời gian công suất của chùm bức xạ điện từ đôi khi còn được gọi là cường độ

1.3 Bản chất của phương pháp phân tích quang học

Các phương pháp phân tích quang học dùng trong hoá học dựa trên việc đo tính chất quang học của chất đem phân tích Có nhiều phương pháp phân tích quang học, tuy nhiên trong giới hạn bài này ta sử dụng phương pháp trắc quang phân tử Phương pháp trắc quang phân tử dựa trên phép đo lượng ánh sáng do dung dịch hấp thụ nếu dung dịch là đồng nhất, hấp thụ ánh sáng

Ta dùng phương pháp trắc quang vùng khá biến (vùng nhìn thấy) (400"”"< 2<750")

1.4 Phép phân tích quang phố

Trong phép phân tích quang phổ chúng ta sử đụng phô của bức xạ điện

tir dé nhận biết các phần tử hoá học

Trên hình 3 phố là sự phụ thuộc đồ thị của một tính chất đo được của

bức xạ điện từ f (v) như là hàm của tần số bức xạ điện từ, từ phố ta thu được

Trang 7

a: phổ nền - b: phổ truyền qua của dung dich

1 Theo đạng phố ta có thể nhận biết một cách định tính các phần tử hoá học

2 Theo giá trị f(v)ở các tần số đã chọn có thể xác định hàm lượng các phần tử hoá học

Ta đã biết tần số bức xạ điện từ của photon (lượng tử) có liên quan tới năng lượng của nó theo phương trình Plăng

E=hv (4)

E: Năng lượng của phôtôn

h: Hằng 86 plang; h= 6,625x10™ (J.s)

v: Tần số

Photon có năng lượng xác định và có thê gây ra các sự chuyển giữa các trạng thái năng lượng điện tử trong phân tử, nguyên tử và trong các phần tử hoá học khác

Theo tiên đề của Bohn thì dé gây ra sự chuyền như trên thì năng lượng cua photon can phải bằng hiệu giữa các trạng thái năng lượng tương ứng với sự chuyên đã cho Tuc la E=h.v = Ey - En (5) E M AE = hv E N

Như vậy có thể nghiên cứu các phần tử hoá học nếu dùng bức xạ điện từ làm phương tiện, do tần số của bức xạ điện từ có liên quan đến sự thay đổi năng lượng sẽ chỉ ra sự chuyên theo công thức (5)

Trang 8

Các trạng thái năng lượng của phần tử hoá học khác nhau là khác nhau Do vậy có thể nói rằng sự thay đối năng lượng liên quan đến các sự chuyên cũng sẽ khác nhau Điều này có nghĩa là phố của mỗi chất là rất đặc trưng và

có thể dùng phổ dé nhận biết chất đó

Thực tế thì phố phản ánh sơ đồ của sự chuyển xảy ra giữa các trạng thái năng lượng của các phần tử hoá học Số lượng chuyền trong một chu kì xác định của thời gian có liên quan đến số lượng các phần tử hoá học tham gia sự chuyển này Như vậy nếu tham số đo được f (v) trong phô liên quan đến số lượng các sự chuyên thì có thể dùng phố để xác định nồng độ các phần tử có mặt

1.5 Các phép đo hoá quang phố

Để xem xét một chất bi hấp thụ điện từ như thế nào ta đo phô hấp thụ của chúng Chúng ta phân biệt các chất nhờ các phổ hấp thụ ánh sáng của chúng ở các bước sóng hay các tần số khác nhau Đề có được phé hap thụ thì

ta cần có thiết bị để tiến hành các phép đo Sơ đồ của một trong các thiết bị

Trang 9

1.0 — NZ

A(nm)

Hình 5: Phổ hấp thụ lí trởng của kinh lọc sắc

Đề chiếu sáng mẫu có thê dùng đèn sợi đốt vonfram, tuy nhiên đèn này phát ra nguồn phổ liên tục chúng ta cần phải tách ra một vùng xác định phổ phát xạ của nó để nghiên cứu hấp thụ của mẫu ở các bước sóng đã chọn Để phục vụ cho mục đích này ta dùng kính lọc sắc bằng thuỷ tinh

Khi làm việc trên dụng cụ thí nghiệm này ta phải đặt lần lượt các dung dịch đã biết và chưa biết vào curvet Chiếu sáng chúng bằng ánh sáng sau khi đi qua kính lọc sắc khác nhau và quan sát bằng mắt ánh sáng đi qua các dung

dịch có thể nhận biết mẫu chưa biết theo mẫu đã biết Trên cơ sở ánh sáng đi

qua kính lọc ánh sáng và sau đó đi qua mẫu sẽ đúng bằng ánh sáng đi qua mẫu đã biết Ta có được điều này do hai chất có thành phần hoá học như nhau sẽ có tính chất quang phổ giống nhau

Để xác định nồng độ các chất cần nhận biết trong dung dịch mâu phải

có các dung dịch chứa các nồng độ đã biết khác nhau của các chất cần xác định

Phương pháp đó tiến hành như sau: Đặt các dung dịch chuẩn khác nhau

vào dụng cụ đo và tiến hành trực chuẩn đề ánh sáng đi qua mẫu chưa biết vào từng mẫu chuẩn Muốn vậy trước tiên cần chọn kính lọc sắc cho các tần số và

Trang 10

mẫu hấp thụ mạnh nhất, muốn vậy ta đặt kính lọc sắc khác nhau vào dụng cụ đo và tiến hành với từng mẫu Kính lọc sắc nào cho sự khác nhau lớn nhất trong bức xạ quan sát được khi có và không có mẫu sẽ là kính lọc sắc tối ưu

Chúng ta phải chú ý các điểm sau đây:

1 Các cấu phần của bất kì một dụng cụ đo hố quang phơ nào cũng được xác định bằng vùng phổ (tần số) làm việc vì vậy ta phải chọn nguồn sáng thích hợp

2 Trong một phép phân tích quang phổ cần phải có sự chuân hoá thực nghiệm có nghĩa là để so sánh với mẫu chưa biết hay đề chuẩn hoá hệ đo phải

có các mẫu chuẩn đã biết

3 Chất lượng các phép đo hoá quang phổ ở một mức độ đáng kế phụ thuộc vào chất lượng và các khả năng của các máy đo đã sử dụng Dụng cụ dùng trong phân tích ở trên có hạn chế là sử dụng mắt quan sát màu Do vậy, để tránh hạn chế trên ta dùng máy đo có đạng chung của một máy đo đùng trong phép hoá quang phố theo sơ đồ hình 6

Trong sơ đồ, nguyên tắc hoạt động chung của một máy hoá quang phố thì cấu trúc vào được dùng để chun thơng báo hố học của mẫu thành thông báo về bức xạ điện từ (đưới dạng thông báo điện từ)

Cấu trúc này gồm nguồn sáng (các đèn) và các buồng đựng mẫu Trong cấu trúc này bức xạ từ nguồn sáng chiếu qua mẫu ở đấy các đặc tính tần số bị thay đổi phụ thuộc vào thành phần hoá học của mẫu Như vậy, bức xạ đi qua mang thơng báo về mẫu hố học những thông báo này được ghi ở quang phô

Đề có thể ghi lại hay tiếp nhận thơng báo hố học ghi ở dạng bức xạ

cần có một cấu trúc Đêtectơ Chức năng của Đêtectơ là nhận được tính hiệu điện đo được tỉ lệ thuận với một tính chất nào đó thường là công suất của bức xạ chiếu đến Đêtectơ Đêtectơ biến thông báo có trong bức xạ điện từ thành một đạng khác thường là dạng điện mà ngươi quan sát hiểu được như độ lệch

Trang 11

của kim của dụng cụ đo cho đến các cột số từ cấu trúc của máy điện tử: Sơ đồ của máy đo hoá quang phổ để đo phổ hấp thụ trong các vùng phố UV và VIS H.6 hy, v, Po Pị Hình 6: cấu trúc ghi phổ

1: Ngun bức xạ liên tục 4: Détecto quang 2: Máy tạo ánh sáng đơn sắc quang học 5: Tin hiệu điện 3: Mẫu hoá học

Để chọn tần số của bức xạ chiếu lên mẫu người ta đùng cấu trúc gọi là máy tạo ánh sáng đơn sắc quang học, nó có chức năng như kính lọc ánh sáng bằng thuỷ tỉnh chỉ có khác là nó cho phép tách ra một vùng tần số hẹp hơn và thay đổi các tần số đi qua nó Từ máy tạo ánh sáng đơn sắc bức xạ tách ra được chiếu lên mẫu, ở đây công suất bức xạ (Pạ) bị thay đổi phụ thuộc vào bản chất hoá học của mẫu Một phần công suất bức xạ đi qua mẫu P nhờ Đêtectơ quang mà được chuyền thành tín hiệu điện tỉ lệ, thường ở dạng hiệu

điện thế hay cường độ dòng điện

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 12

Chương 2: Định luật cơ bản của hoá quang phố

Tất cả các phương pháp phân tích đo quang đều dựa trên các định luật cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ Các định luật cơ bản này là:

1 Dinh luat Buge - LamBe 2 Định luật Beer

3 Định luật hợp nhất Buge - LamBe - Beer 4 Định luật cộng tính

5 Định luật huỳnh quang định lượng

Sau đây ta xét một số định luật áp dụng cho phần thực nghiệm 2.1 Định luật Buge - LamBe

Trang 13

H7

Chùm sáng đơn sắc Pạ chiếu quang dung dịch màu chia làm các phần Một phần bị hấp thụ bởi dung dịch màu P;, một phần bị phản xạ bởi dung môi P,¡ và bởi thành Curvet P„;, một phần đi ra khỏi dung dịch P¡

Theo định luật bảo toàn vật chất ta có:

Po=Pạ+Pn+Pa+P,ạ (6)

Trong khi tiến hành thí nghiệm người ta thường dùng một cặp Curvet giống nhau và dung môi giống nhau Trong một Curvet đựng dung dịch so sánh, 2 Curvet có chất liệu và kích thước như nhau lên phần phản xạ bởi thành Curvet cũng giống nhau như vậy, các đại lượng giống nhau đều bị triệt tiêu tức là các đại lượng P„¡ và P„; trong công thức sẽ bị loại trừ chỉ cần lưu ý 2 số hạng P, và P¡ Giả sử lớp dung dịch đồng nhất có bề dày I (cm) được chia làm nhiều lớp mỏng vô tận di, chùm sáng đơn sắc có bước sóng 4 khi chiếu vào lớp mỏng vô tận đi qua lớp này thì cường độ chùm sáng giảm đi một lượng la dp do sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu Vậy ta có -2 =Ap [theo 4] A: hé sé hap thụ của môi trường Do do Pea Œ) P

Ta quan sát được sự giảm tương đối của chùm sáng khi nó đi qua lớp mỏng dp Lấy tích phân phương trình (7) từ Pạ đến P, theo bề dày của lớp | của dung dịch ta được:

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 14

Đị 1 J dp y fal (8) m P 0 = Inp, -Inp, =-al (9) =P,=P,E “ q0) Chuyên từ logarit cơ số e sang logarit thập phân ta có: P.=p,.107! (11),ở đây ø=2.303k Polio! (12), Igf2?=KI (13) Pi đại lượng Ig Po =A (14) gọi là một độ quang đặc trưng cho khả năng hấp thụ 1

cua dung dich mau Vay biểu thức của định luật Buge - Lambe là:

Trang 15

A=lgP°=kl (15) P,

k: Hệ số hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu

Từ biểu thức (13) ta suy ra ý nghĩa vật lý của đại lượng k như sau: 1 peal = ao (16) 1 x _ 1 Jp, il Néuk.l=1 hay k=- thi =+=— (17) I Pp, 10

Vay k là đại lượng nghịch đảo của bề dày lớp dung dịch có khả năng làm yếu cường độ chùm sáng ban đầu đi 10 lần

Năm 1792 Buge đã thiết lập sự phụ thuộc giữa sự giảm cường độ chùm sáng đơn sắc hướng song song với bề dày của lớp dung dịch hấp thụ Năm

1760 Lambe đã xác nhận sự phụ thuộc này và đã thiết lập định luật thứ nhất

của sự hấp thụ ánh sáng

Nội dung của định luật Buge - Lambe phát biểu như sau:

“Lượng tương đối của chùm sáng bị hấp thụ bởi môi trường mà nó đi

qua không phụ thuộc vào cường độ của tia tới Mỗi một lớp bề đày như nhau hấp thụ một phần dòng ánh sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau”

Trang 16

1=1(cm): A, lg sọ =Ig2=0301 I=2(cm): A, =le se =lg4=0.301 100 I=3(em): A, =lg——-=lg8=0.9031 (em): A, tl2s Š 1=4(cm): A, =lg2 22 =lgl6=1.204

Ta thấy Az=2Ai; Aa=3Ai; A¿= 4A

Như vậy ta thấy mỗi lớp bề dày như nhau hấp thụ một phần chùm sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau

2.2 Định luật Beer

Năm 1852 Beer đã thiết lập định luật thứ hai của sự hấp thụ ánh sáng Định luật Beer được phát biểu như sau:

“ Sự hấp thụ dòng quang năng tỉ lệ bậc nhất với số phân tử của chất hấp thụ mà dòng quang năng đi qua nó”

Định luật nàycó thé phat biéu theo cách thứ hai:

“Độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu (đại lượng mật độ quang A) tỷ lệ bậc nhất với nồng độ của dung dịch chất hấp thụ ánh sáng”

Trang 17

“Khi đi qua hệ (dung dịch màu) một chùm photon đơn sắc thì mức độ hấp thụ của dung dịch màu tỷ lệ thuận với công suất chùm photon và nồng độ các phần tử hấp thụ” Định luật của mô tả bằng biểu thức toán học nhờ phương trình vi phân sau: dp —-=kœ theo 4 al p [ ]

P: Công suất bức xạ trong một điểm I nào đó của môi trường hấp thụ c: Nồng độ các phần tử có kha nang hap thụ photon

k: Hằng số phụ thuộc vào bản chất của các phần tử hấp thụ và năng lượng của các photon

Viết lại phương trình trên với chú ý là do sự hấp thụ nên công suất bị giảm Ta có:

dp =-dlnp=kcdl (19) p

P - là công suất bức xạ đến ở I = 0

P - là công suất bức xạ đi qua môi trường hấp thụ ở l=b

Trang 18

Từ phương trình (23) ta thấy rằng đo công suất tương đối của chùm bức

xạ khi có và không có các phần tử hấp thụ trên đường đi của chùm sáng ta có

thể xác định được nồng độ ở đây không cần phải đo các giá trị tuyệt đối của

công suất và điều đó làm cho phố trắc quang trở nên đơn giản hơn Ta cần

phải biết chính xác bề dày lớp mẫu hấp thụ, vật liệu, kích thước và dạng của

curvet thay đổi trong một phạm vi rộng phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của mẫu và vào vùng phổ trên thực tế phương trình (23) thường được viết ở

dạng lett =abc (24)

Đây là phương trình phố biến nhất của định luật hợp nhất Bugc - Lambe - Beer

Trong phương trình (24) cho ta tỉ số các công suất bức xạ đến và bức xạ qua do vậy có thể dùng bất kỳ đơn vị nào của công suất, thậm chí dùng được các đơn vị thực nghiệm bắt kỳ ví đụ các chỉ số của kim dụng cụ

Nếu thông số b (bề dày của lớp màu hấp thụ) được biểu diễn bằng cm Còn

mol i dung dich thì hằng số a được gọi là hằng số hấp thụ phân nông độ C là

tử gam có đơn vị là: /zmof~ Lem~l

Phương trình (24) được viết dưới dạng sau:

A= leat =ele (25)

é (mot !.em7!) là hệ số hấp thụ phân tử gam đại lượng Ie“ là mật độ quang

Vì đại lượng A tỷ lệ thuận với nồng độ C của các phần tử hấp thụ thì

các máy đo độ hấp thụ, về nguyên tắc phải được trực tiếp chuẩn hóa trong các

đơn vị hấp thụ

Trang 19

tỷ số + là độ truyền quang

0

2.3.2 Độ lệch khỏi định luật Buge - LamBe - Beer

Định luật hợp nhất Buge - LamBe - Beer chi liên quan tới tham số nồng độ C Việc ứng dụng định luật Buge - LamBe - Beer có thể được kiểm tra đối với bất kỳ hệ đã cho nào nếu đo độ hấp thụ đối với mỗi kim loại mẫu có nồng

độ đã biết của chất hấp thụ Nếu sự phụ thuộc đồ thị thực nghiệm của mật độ

quang A vào nồng độ C là đường thắng đi qua gốc tọa độ thì định luật Buge - LamBe - Beer tuan theo Tuy nhiên thường thì sự phụ thuộc đồ thị các kết qua đo trong một khoảng rộng nồng độ chất hấp thụ có dạng vẽ ở hình 9:

A

Cy c

Hình 9: Sự phụ thuộc mật độ quang A vào nông độ C của chất hấp thụ Từ hình vẽ ta thấy định luật Buge - LamBe - Beer chỉ tuân theo đến

nồng độ C¡ Nếu theo dãy các mẫu chứa các nồng độ đã biết của các phần tử

hấp thụ ta nhận thấy được đồ thị chuẩn, thì cũng có thể xác định nồng độ chất hấp thụ trong mẫu chưa biết

Trang 20

Sự lệch thực xuất hiện do có sự thay đổi chỉ số khúc xạ của môi trường

diễn ra khi có sự thay đổi các cấu tử của nó Định luật Beer đòi hỏi không có sự thay đối chỉ số khúc xạ của môi trường hấp thụ Bất kỳ sự lệch nào không có đòi hỏi này cũng đều dẫn đến sự không chính xác các kết quả thực nghiệm Tuy nhiên, thường thì các sai số gây ra do sự thay đổi chỉ số khúc xa là tối

thiếu, sự lệch thực khỏi định luật Beer là có thể bỏ qua

*) Sự lệch hóa học

Các sự lệch hóa học khỏi định luật Beer được gây ra do sự chuyên dịch cân bằng hóa học của các phân tử khác B để tạo ra chất C và D

A+B=C+D

Bat ky su thay déi nào có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng đều làm thay đối nồng độ chất A Tuy nhiên, một số thay đối nồng độ ban đầu của các phần tử A có thể không dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ thuận của nồng độ cuối cùng các phần tử A có khả năng hấp thụ bức xạ Do trạng thái cân bằng còn phụ thuộc vào các phần tử khác Để tránh đựơc điều đó cần phải tạo ra các điều kiện sao cho sự thay đối nồng độ chất A sẽ không ánh hưởng đáng kế lên

trạng thái cân bằng tức là có thể làm cho nồng độ chất C và D đủ lớn để giữ

được trạng thái cân bằng chuyền về phía tạo ra chất A * Sự lệch do dụng cụ

Việc dùng bức xạ không đơn sắc thường là nguyên nhân chủ yếu của sự lệch dụng cụ khỏi định luật Beer Định luật chỉ đúng khi hấp thụ bức xạ đơn sắc Trong thực tế, phần lớn các vùng phơ khó hồn tồn đơn sắc

Các tính toán dựa trên định luật Buge - Lambe - Beer được dùng trong phương pháp quang phô thực nghiệm Tuy nhiên, như đã lưu ý ở trên, thường

có thể tiến hành các bước xác định, định lượng theo các đồ thị chuẩn Đề cho

phép phân tích có hiệu quả thì các yêu cầu cơ bản là làm sao cho các tính chất

hấp thụ bức xạ của hệ hóa học có thê đo được và có độ lặp tốt khi đo

Trang 21

Việc thiết lập định luật Buge - Lambe - Beer dựa trên giả thiết cho rằng bức xạ điện từ chiếu đến là đơn sắc

Nếu giả thiết này không được đáp ứng thì có thể xuất hiện hai trường

hợp Trong trường hợp thứ nhất rất phổ biến là hệ số hấp thụ phân tử gam của chất xác định sẽ khác nhau ở mỗi bước sóng Trong các giới hạn của phần truyền quang bức xạ chiếu lên mẫu Tất nhiên công suất bức xạ của mỗi một trong các bước sóng này là cộng tính tuyến tính Để thỏa mãn định luật Beer thì logarit các công suất bức xạ phải được cộng lại và điều này dẫn đến lệch khỏi định luật Beer Kế (P)A, (Po4y | ———>P,Q)› Padược = (P)4, +CR)A,

Hình10: Sơ đỗ cho thấy việc dùng bức xạ không đơn sắc có thể dẫn đến khỏi sự lệch khỏi định luật Beer

^,: Bước sóng của bức xạ hấp thụ

A,: Bước sóng của khác bức xạ không hấp thụ

Trong trường hợp thứ hai có liên quan đến việc dùng bức xạ không đơn sắc mà khoảng sóng bức xạ chiếu đến mẫu rộng hơn nhiều so với dải hấp thụ của chất xác định Vì vậy bức xạ trong một số bước sóng đi qua mẫu không bị

yếu đi (do không có sự hấp thụ) đây có thê xem như là một trường hợp giới

hạn của ví dụ trước đây ở đây hệ số hấp thụ phân tử gam của chất xác định bị

thay đổi mạnh Trong một phần nào đó của dải bức xạ đã dùng trường hợp

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 23

Trong trường hợp dùng bức xạ đơn sắc thì: h (P)A, Còn trong trường hợp dùng bức xạ không đơn sắc ( chứa cả 4, và 2, ) A.=lg (27) P

A,=lg——°—— (28) (PA + (BA

So sánh các biểu thức (27) va (28) ta thay A, # A, cụ thé hon 1a A> A, Do vậy ta thường thấy sự chênh lệch âm khỏi định luật Beer khi dùng nguồn bức

xạ không đơn sắc

Hình 11: Đồ thị chỉ ra sự lệch âm khỏi định luật Beer C¡: Nồng độ cực đại ở đó định luật Beer còn tuân theo

Hình 12: Đồ thị chỉ ra sự lệch dương khỏi định luật Beer Ci: Nong độ cực đại ở đó định luật Beer còn tuân theo

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 24

2.4 Chọn dải phố cho đối tượng nghiên cứu:

Đề giảm sai số và độ nhạy phân tích thì việc cho đúng bước sóng tối ưu là rất quan trọng Đối với phép phân tích trắc quang có hai cách chọn hai cách cơ bản để chọn bước sóng này là: Hấp thụ của chính chất cần xác định và hấp

thụ phần tử cản trở

Nếu các phần tử đi kèm có trong mẫu hấp thụ cùng giải tần số hai bước sóng như phần tử cần xác định thì xuất hiện sai số mật độ quang đo được của mẫu việc chuẩn bị và sử dụng một dung dịch so sánh thích hợp sẽ cho phép khắc phục được khó khăn này Nhưng nếu chất cản trở có trong mẫu cũng hấp

thụ bức xạ tại bước sóng như phần tử cần xác định đối với phép đó trắc quang

nên chọn đải phổ hấp thụ khác của chất cần xác định, việc lựa chọn này cần phải cho phép nhận được các chỉ số độ truyền quang trong khoảng có sai số trắc quang bé nhất, các dạng đải phố hấp thụ trong các vùng phổ tử ngoại và khả kiến rất khác nhau và điều này cần phải tính đến trong việc lựa chọn bước sóng cho phép phân tích trắc quang

Trang 25

Phổ hấp thụ này gồm một Pic nhọn, mạnh và một dải rộng yếu hơn Rõ ràng việc chọn bước sóng tương ứng với cực đại của Pic nhọn cho độ nhạy của phép xác định cao Tuy nhiên, những sự biến đổi nhỏ trong vị trí của thiết bị điều chế đơn sắc cũng có thể gây ra sự chuyên bước sóng bức xạ chiếu lên curvet đựng mẫu và gây ra sự thay đối lớn trong việc xác định mật độ quang Mặt khác nếu cho phép phân tích này là phần trung tâm của dải rộng thì bất kỳ sự dịch chuyển nào của bước sóng bức xạ đến sẽ gây ảnh hưởng nhỏ hơn dải sóng là hiện tượng thường có trong máy đo phổ trắc quang Nên ta phải chọn sao cho phép phân tích bước sóng tương ứng với phần trung tâm của dải rộng hơn là bước sóng ở đỉnh Pic nhọn hay các phần dốc của dải Ngoài ra, việc dùng dải hấp thụ rộng sẽ dẫn đến sự lệch tối thiểu khỏi định luật Beer gây bởi những biến đổi các hệ số hấp thụ phân tử gam trong phần các bước sóng bức xạ chiếu lên dung dịch mẫu

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 26

Chương 3: Phân tích trắc quang phân tử vùng

khả kiến

3.1 Thiết bị cho phép trắc quang trong vùng khả kiến

Ta cần xét thiết bị nào cho phép đo phổ trong các vùng khả kiến trước hết xét các cấu trúc của tín hiệu hóa học vào để chuyến thành tín hiệu điện ra ở bức xạ điện từ, cấu trúc này biến thông báo về mẫu thành dạng bức xạ điện từ, một thiết bị chung có mặt trong phép đo hoá quang phổ đó là thiết bị điều chế tần số Thiết bị điều chế tần số này tách ra hay phân đải bức xạ điện từ ở dạng các dải phô tương đối hẹp Các dải phổ này sẽ cho thông báo ghi được về mẫu

Để xác định công suất bức xạ của chùm bức xạ trong từng dải riêng ta dùng bộ phận biến bức xạ điện từ thành tín hiệu điện đi ra (đêtecto)

3.2 Thiết bị điều chế tần số

Đó là các máy tạo ánh sáng đơn sắc hoặc các kính lọc sắc mỗi loại có

những ưu điểm nhược điểm đó là điểm lưu ý khi chúng ta sử dụng Sự khác

nhau quan trọng giữa các thiết bị điều chế tần số này là khả năng tách các vùng phố cạnh nhau (khả năng phân đải) và lượng bức xạ cho qua thiết bị đã chọn

Khả năng phân dải chính là các bước sóng nghiên cứu (2) và sự khác nhau nhỏ nhất giữa các bước sóng này và bước sóng bên cạnh: (A2) có thể

phân biệt được Do vậy mà khả năng phân dải càng cao (4) của thiết bị

điều chế.Tần số thì càng có nhiều khả năng phân chia hai phần cạnh nhau của phô

Trang 27

Ta có thể thay các kính lọc sắc bằng máy tạo ánh sáng đơn sắc Đặc điểm cơ bản của máy tạo ánh sáng đơn sắc là đải bước sóng rất hẹp mà ta có thể chọn và tách ra

H14

1: Khe vào 4: Khe hẹp

2; 5: Thấu kính hội tụ 6: Khe ra

3: Cách tử nhiễu xa 7: Cảm biển quang

Bức xạ điện từ được chiếu qua khe vào, đi qua thấu kính được chiếu vào cách tử nhiễu xạ và được phân dải ra thành các thành phần đơn sắc cần thiết Ta có thể đặt khe hẹp (6) di động để tách ra các sóng cần thiết Trên thực tế thay cho việc đùng khe hẹp (6) thì ta quay cách tử nhiễu xạ để cho

bước sóng cần thiết đi tới khe hẹp (6)

3.3 Các Đêtectơ của bức xạ khá kiến

Đó là bộ phận biến tín hiệu bức xạ điện từ thành tín hiệu điện đi ra Ta có thể kế ra một số các đêtectơ chọn lọc của bức xạ khả kiến điện trở quang (CDS) có vùng độ nhảy quang phô từ 400—§00? điết quang silic có vùng độ nhạy quang phổ 350!_—1200!

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 28

3.4 Phương pháp chế tạo màng mồng

Các màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp bốc bay chân không

kim loại hay hợp kim từ thể lỏng

Sơ đồ của phương pháp đó như sau:

1.Mẫu HI5 5.Dâu không khí

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 29

2 Chuông chân không — 6 Thuyên đựng mẫu

3 Bơm chân không 7 Đề

4 Động cơ

Trang 30

Chương 4: Phương pháp thực nghiệm

4.1 Sơ đồ nguyên lý của phép trắc quang vùng khả kiến 4.1.1 Sơ đồ nguyên lý x em ® sang Nguản s,ng C,ch tö nhiÒu x" Khe hep ThEu kYnh L ITLT Curvet L_D TT R

Hinh 17: So dé phép trac quang (do phé hap thụ) của dung dịch điện phân Trong phạm vi nghiên cứu bài khoá luận này ta nghiên cứu hiện tượng hấp thụ ánh sáng của dung dịch điện phân Qua kết quả thí nghiệm chứng tỏ rằng khi có ánh sáng truyền qua dung dịch điện phân, sau khi qua dung dịch thì một phần ánh sáng bị hấp thụ (công suất bức xạ giảm) (ta không xét hiện tượng khác: bị phản xạ bởi thành cuvet, hấp thụ bởi cấu tử lạ, tán sắc do thành

curvet bẩn như lý thuyết đã trình bày các thành phần này có thể bỏ qua

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 31

Bùi Văn Thiện Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 32

4.1.2 Mô tả thí nghiệm

1 Nguồn sáng: là đèn sợi đốt vônfram (có thể dùng đèn hơi thủy ngân hoặc đèn natri, dén laze) chiếu vào khe hẹp của máy phân tích quang phô

Khi qua khe hẹp chỉ cho chùm sáng rất nhỏ chiếu đến cách tử nhiễu xạ Trong máy tạo ánh sáng đơn sắc dùng cách tử nhiễu xạ thì phần bức xạ được phân dải theo các bước sóng, một cách tuyến tính Cách tử nhiễu xạ hoạt động dựa trên hiện tượng nhiễu xạ

2 Trống đo sóng: gắn với cách tử nhiễu xạ khi quay trống đo sáng đến một giá trị bước sóng cần xác định thì qua cách tử nhiễu xạ ta sẽ được bức xạ tương ứng

3 Bức xạ đơn sắc: Được tạo ra nhờ máy phân tích quang phổ được truyền dọc theo trục chính của một thấu kính hội tụ đến cuvet đựng dung dịch điện phân Cuvet được đặt sao cho tia sáng vuông góc với mặt phẳng cuvet Mặt khác ta chỉnh thấu kính và quang trở sao cho chùm sáng qua thấu kính sẽ hội tụ ở vị trí quang trở

Chim sang qua dung dich mau sẽ bi hap thụ một phần, phần còn lại có công suất bức xạ nhỏ hơn được chiếu đến máy đo dùng quang trở Tín hiệu sáng được chuyền thành tín hiệu điện và ta đọc được trên máy

4 Máy đo dùng quang trở biến tín hiệu sáng thành tín hiệu điện thế

(mV) ứng với một giá trị 4 ta đo được cường độ chùm sáng thông qua dòng quang trở (CdS) Trước hết ta phải chuẩn định máy, để làm được việc này ta phải đo Phổ của laze Từ đó ta đo phố thông quang của cuvet với các nguồn sáng tương ứng ở trên

Sau đó ta chọn đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu ta chọn ở đây là dung dịch NaCl, và một số màng mỏng với các nồng độ khác nhau

Trang 34

a UCmv) } i Zo Zo ofl e 60 oe ° ĐH eee : ; ° 4,0 s 1 : $ 30 « ` s e 2,0 = jas - * 4,0 = - ¬ BE HE -e oO ' — ‡ + > — 614 624 634 644 ACnm) Hình 18: Pho lazer 4.2.2 Xác định dải phố hấp thụ

1 Dung dịch NaCI (các nồng độ khác nhau)

Bảng 2: Số liệu đo dung dich NaCl

Trang 36

| dưio — 24g | x, x * 30 # 5 : x ‘ -,- \ | n lạ” Sa, TT re lề x Het a e 44 % at x go 80 70 6o sO o| 3o 2o oO) a: là phố của lazer (x) b: là phố của curvet (®) d: là phố của NaCl (5%) (m) c: là phố của NaCl (60%) (A )

e: là phd cua NaCl (bio hoa)

Hinh 19: Phé dung dich NaCl

Bui Van Thién Lớp K29D - Sư phạm Vật lí

Trang 37

2 Cac mang mong (Au, Pt, TIO2, TIO3)

Bảng 3: Số liệu đo được với các màng mỏng

Trang 39

Việc đo phố chuẩn định máy ta thấy, với lazer theo lý thuyết có bước sóng

Â=600(nm), tiến hành thí nghiệm với máy phân tích quang phổ ta được 2=632(nm).Như vậy xác định được sai số của máy là: A4=+2(nm) Điều này cho ta thấy máy phân tích quang phố mà ta sử dụng có độ chinh xác tương đối cao

Khi đo phổ thông quang ta thấy: với lazer lo„„= 140(mv)

VỚI phố thong quang Ipma=125(mv)

Vmax ~ ly =0.107

| Omax

Như vậy cho ta thấy curvet ta dùng có độ thông quang tương đối tốt vi

cường độ mà curvet thuỷ tỉnh hấp thụ ít, vẫn cho ta có thể nghiên cứu hiện

tượng hấp thụ của dung dich NaCl:

Do phổ hấp thụ của dung dịch NaCl ta thấy khi nồng độ của đung dịch càng tăng lên thì hiện tượng hấp thụ thể hiện càng rõ Điều này được chứng minh thông qua phô mà ta đo được

Từ phố đo được ta thấy: ở trạng thái bão hoà, ở bước sóng

Â=6509(nm) hiện tượng hấp thụ sảy ra là mạnh nhất

Khi đo phô truyền qua các màng mỏng ta nhận xét thấy với TIOa, xuất hiện một pic hap thụ lệch về phía bước sóng dài so với các mẫu khác

Trang 40

Kết luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy rõ sự tương tác của bức xạ điện từ với vật chất thông qua việc đo phổ hấp thụ các mẫu, đồng thời cho ta khảo sát cấu trúc máy phân tích quang phố, rèn luyện kĩ năng thực nghiệm từ đó cho ta hướng nghiên cứu các mẫu khác nhau Khoá luận đã đáp ứng được mục đích, yêu câu nhiệm vụ đã đê ra