Isaac Newton Jan Marcus Marci z Kronlandu

Transkript

1 Optié vlastnosti láte Isaa Newton Jan Marus Mari z Kronlandu

2 Světlo je eletromagnetié vlnění James Cler Maxwell Maxwellovy rovnie ρ E, B E B E, B μ j + μ t t Energie eletromagnetiýh vln je vantována Eletromagentié vlny jsou tvořeny elementárními částiemi fotony Max Plan Albert Einstein

3 Rovinná monohromatiá vlna A t x x, t A os π A T os ω [ t x] π ~ ν ω πν π π T Ax,t, Τ A A T ν ~ ω ν amplituda vlnová déla perioda frevene ruhová frevene vlnočet vlnové číslo x, t ryhlost šíření vlny u ω ν u ~ ν T u

4 Eletromagnetiá vlna E E r, t B r, t E B os ωt r os ωt r eletriá složa magnetiá složa B r, t E r, t E B B Poyntingův vetor S: veliost vyjadřuje plošnou hustotu výonu eletromagnetié vlny S E B S EB E S střední hodnota S E Interae magnetiýh momentů atomů a moleul s B jsou a. 5 rát slabší než interae eletriýh dipólovýh momentů s E Polarizae vlny: Orientae vetoru E, resp. B v rovině olmé směru šíření E B

5 Fotony Fotony jsou elementární částie tvoříí eletromagnetié pole. Jejih energie je přímo úměrná freveni pole: h E hν h ~ ν h 6, J s Planova onstanta p h hybnost fotonu E absorpe E emise hν E E E, E : energetié hladiny vantového systému moleula, atom, atomové jádro... Fotoionizae h ν E + T E + i i mu E i ionizační poteniál T inetiá energie eletronu, u ryhlost

6 Viditelná oblast spetra nm ultrafialová oblast UV 39 3 nm blízá UV nm UVA 3 nm střední UV 35 8 nm UVB nm daleá UV 8 nm UVC nm extrémní UV nm vauová UV,75,4 μm blízá IR,4 3 μm rátovlnná IR 3 8 μm středovlnná IR 8 5 μm dlouhovlnná IR 5 μm daleá IR infračervená oblast IR Interae viditelného světla blízého IR záření, UV záření s moleulami: Rozměry moleuly jsou zanedbatelné proti vlnové déle světla, proto lze prostorovou závislost Er,t zanedbat a přihlížet jen časové. Orientační i deformační polarizae moleul jsou vzhledem freveni světla pomalé, na polarizai v optié oblasti se podílejí pouze eletrony.

7 Moleula v eletromagnetiém poli světelné vlny Model v rámi lasié fyziy: Eletrony se hovají jao harmonié osilátory, onajíí mity vynuené osilujíím eletriým polem. d x t dt x ee + ω x t m ee / me t os t ω ω e os ωt ω ω vlastní frevene eletronu ω frevene eletriého pole xt výhyla z rovnovážné polohy amplituda závisí na freveni e náboj eletronu m e hmotnost eletronu E amplituda pole induovaný dipólový moment: p t αe os e / me α ω ω ω ωt e ex t m e polarizovatelnost ωt E os ω ω absorpe: ω ω p emise: dipól vysílá záření o frevení ω αω/α ω / ω

8 μ Ryhlost šíření světla v látáh vauum: hmotné prostředí: r r u μ μ μ, m s - ryhlost světla ve vauu 8, F m - permitivita vaua μ 4π. -7 N A - permeabilita vaua, μ, permitivita a permeabilita hmotného prostředí r, μ r relativní permitivita a permeabilita hmotného prostředí absolutní index lomu: n u r μ r neferomagnetié láty: μr n r Disperze záření v důsledu interae s látou se fáze mitů pole opožďuje či předhází ve srovnání s šířením vlny ve vauu: vlnová déla, a tím i index lomu jsou frevenčně závislé. n ν u ν ν ν n ν n κ κ anomální disperze v oolí absorpčníh pásů μm

9 Interae láty se světelným zářením lom emise odraz rozptyl absorpe Rozptyl světla: elastiý nedohází výměně energie mezi fotonem a moleulou rozptýlené záření má stejnou freveni jao dopadajíí záření neelastiý dohází exitai nebo deexitai moleuly rozptýlené záření má nižší nebo vyšší freveni než dopadajíí záření

10 Lom světla refrae Lom světla změna směru šíření světelné vlny na rozhraní dvou optiýh prostředí je způsoben rozdílnou ryhlostí šíření světla v obou prostředíh. x u t x ut sinα, sin β x Snellův záon: u u α u t.. u t α β u u n n n sinα sin β n relativní index lomu indexy lomu při 589 nm: β vzduh atm, C,3 voda C,333 slo pyrex C,47 diamant C,49

11 Elastiý Rayleighův rozptyl světla Eletrié pole světelné vlny induuje v moleule dipólový moment osilujíí se stejnou frevení jao je frevene pole. Tento osilujíí dipól je zdrojem rozptýleného záření. rovina polarizae primárního záření Vyzařovaí diagram dipólu p ϕ rovina olmá rovině polarizae I r sin ϕ I ϕ, r I Ir r 4 4 r r I r intenzita rozptýleného záření I intenzita primárního záření ϕ úhel mezi vetorem dipólu a směrem měření r vzdálenost od dipólu vlnová déla záření

12 Apliae elastiého rozptylu světla V optiy homogenním prostředí se vlny rozptýlené z různýh míst vzájemně ruší destrutivní interferení rozptyl nepozorujeme. V apalináh se rozptyl světla pozoruje díy flutuaím indexu lomu hustotním, teplotním, onentračním způsobeným haotiým pohybem moleul. Veliost onentračníh flutuaí je úměrná moleulové hmotnosti rozptylujííh části měření intenzity rozptylu světla lze použít e stanovení moleulové hmotnosti maromoleul. Rozptyl světla na velýh částiíh D > /: Vlny rozptýlené z různýh míst částie navzájem interferují, intenzita rozptýleného záření je úhlově závislá, ož umožňuje určit veliost části u části o srovnatelné veliosti s i tvar Fosfolipidové vesiuly, R5 nm: úhlová závislost intenzity rozptylu Iq/I - 4πn θ q sin θ rozptylový úhel q μm - Kvazielastiý dynamiý rozptyl světla: Měření ryhlosti časovýh flutuaí intenzity rozptýleného světla posytuje informae o pohybeh rozptylujííh části v roztou.

13 Neelastiý Ramanův rozptyl světla Vibrační pohyb moleuly způsobuje osilae její polarizovatelnosti: p ind α E [ α + α vib osπν α vibe osπνt + vib t] E osπνt { os[ π ν + ν t] + os[ π ν ν t] } Rozptýlené světlo tvoří vlny freveníh ν elastiý rozptyl a ν+ν vib, ν ν vib. vib Při sráže fotonu s moleulou je moleule předána frevene ν ν vib nebo odebrána frevene ν+ν vib energie E vib hν vib : vib hν hν ν vib + E vib Stoesův pás hν hν+ν vib E vib anti-stoesův pás Ramanův rozptyl má a. 7 rát nižší intenzitu než Rayleighův rozptyl, Stoesovy pásy jsou intenzivnější než anti-stoesovy. Rayleigh ν ν Stoes ν ν ν vib anti-stoes ν ν+ν vib virtuální hladiny vibrační hladiny

14 Apliae Ramanova rozptylu Vibrační spetrosopie: analýza vibračníh frevení moleul i pevnýh láte posytuje informae o strutuře. Cl CH 3 Cl O ~ vib m ν ~ ν ~ ν ~ ν vib

15 Absorpe světla V tené vrstvě o tloušťe dx je pohlený výon dix přímo úměrný tloušťe vrstvy a výonu záření ve vzdálenosti x: dix κ Ixdx κ absorpční oefiient II x Ix dx di x dx I x I di I ln I x ln I I x κi x I x κ dy e κx ln I x I κx Ix Výon záření exponeniálně lesá s tloušťou absorbujíí vrstvy. x

16 Apliae měření absorpe světla: Spetrofotometrie Lambertův-Beerův záon: l I I T A log log loge κ l A l A l A deadiý molární absorpční oefiient [] m mol - obvylá jednota dm 3 mol - m -. Je harateristiý pro danou látu a závisí na vlnové déle záření. A absorbane, TI/I transmitane molární onentrae absorbujíí láty l tloušťa vrstvy roztou tloušťa yvety Měření T, resp. A, lze užít e stanovení onentrae absorbujíí láty. Analýza -složové směsi: Je nutno změřit absorbani pro vlnovýh déle a znát všeh slože pro těhto vlnovýh déle nm dm 3 mol - m - O N H NH COOCH 3

17 Polarizované světlo Nepolarizované světlo Vetor E mitá ve všeh směreh Lineárně polarizované světlo Vetor E mitá v jednom směru Lineárně polarizovanou vlnu lze popsat jao součet dvou ruhově polarizovanýh vln otáčejííh se se stejnou frevení, ale v opačném směru: E E L E P Kruhově polarizované světlo Fáze slože E y a E x jsou posunuty o π/. Vetor E rotuje s frevení rovnajíí se freveni pole. x E E L E P E E L E P V něterýh, tzv. optiy ativníh látáh se pravotočivě a levotočivě ruhově polarizovaná světelná vlna otáčí s různými frevenemi. To vede e stáčení roviny lineárně polarizovaného světla.

18 Optiá ativita Optiou ativitu vyazují láty vytvářejíí enantiomery optié izomery, jejihž strutury jsou vzájemně zradlově symetrié. Centrální hiralita entrem většinou uhlí se 4 různými. substituenty. Raemiá směs směs obsahujíí 5 mol. % pravotočivého a 5 mol. % levotočivého izomeru je optiy neativní Molární otáčivost [Μ]: α [M ]l α úhel otočení doprava +, doleva molární onentrae optiy ativní láty l tloušťa vrstvy roztou tloušťa yvety Axiální hiralita OH OH OH OH Závislost [Μ] na vlnové déle: optiá rotační disperze Cirulární dihroismus: rozdíl molárníh absorpčníh oefiientů pro levotočivě a pravotočivě polarizované světlo: Δ L P

19 Spetra irulárního dihroismu Analýza seundární strutury proteinů: CD spetrum proteinu je váženým průměrem speter jednotlivýh typů seundární strutury, lze z něj tedy určit poměrné zastoupení těhto typů v jeho seundární strutuře. Δ dm 3 mol - m - β sládaný list β ohyb α helix nerozlišené strutury nm