Úvod do spektroskopických metod. Ondřej Votava

Podobné dokumenty
Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

13. Spektroskopie základní pojmy

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Od kvantové mechaniky k chemii

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Stručný úvod do spektroskopie

Vybrané spektroskopické metody

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU II

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

Metody charakterizace nanomaterálů I

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Teorie Molekulových Orbitalů (MO)

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Barevné principy absorpce a fluorescence

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Spektrum. Spektrum. zisk rozkladem bílého světla

Born-Oppenheimerova aproximace

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Balmerova série vodíku

VIBRAČNÍ SPEKTROMETRIE

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Elektronový obal atomu

Kmity a rotace molekul

Metody analýzy povrchu

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Nekovalentní interakce

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. VII. Spektroskopie a fotochemie

Elektronový obal atomu

Vybrané metody spektráln. lní analýzy. Metody charakterizace nanomaterálů I

Nekovalentní interakce

Metody analýzy povrchu

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU II

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Viková, M. : ZÁŘENÍ II. Martina Viková. LCAM DTM FT TU Liberec, (hranol, mřížka) štěrbina. Přednášky z : Textilní fyzika

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

16. Franck Hertzův experiment

Spektroskopie subvalenčních elektronů Elektronová mikroanalýza, rentgenfluorescenční spektroskopie

Techniky prvkové povrchové analýzy elemental analysis

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Fluorescence (luminiscence)

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

Spektroskopické é techniky a mikroskopie. Spektroskopie. Typy spektroskopických metod. Cirkulární dichroismus. Fluorescence UV-VIS

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Barevné principy absorpce a fluorescence

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Využití laserů ve vědě. Vojtěch Krčmarský

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

KOMPLEXY EUROPIA(III) LUMINISCENČNÍ VLASTNOSTI A VYUŽITÍ V ANALYTICKÉ CHEMII. Pavla Pekárková

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

Anizotropie fluorescence

IDENTIFIKACE NEZNÁMÉ ORGANICKÉ LÁTKY POMOCÍ INFRAČERVENÉ SPEKTROMETRIE

Moderní nástroje pro zobrazování biologicky významných molekul pro zajištění zdraví. René Kizek

Absorpční fotometrie

10A1_IR spektroskopie

METODY ANALÝZY POVRCHŮ

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

Metody nelineární optiky v Ramanově spektroskopii

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

Využití UV/VIS a IR spektrometrie v analýze potravin

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

2. Elektrotechnické materiály

4 Přenos energie ve FS

Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE

Elektronový obal atomu

FOTOAKUSTIKA. Vítězslav Otruba

ZÁKLADY SPEKTROMETRIE NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÉ REZONANCE

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.1. Fyzikální princip činnosti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Elektromagnetické vlnění, vlny a částice

Symetrie Platonovská tělesa

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů. Spektroskopie Augerových elektron (AES), elektronová mikrosonda, spektroskopie prahových potenciál

Fyzika IV. Pojem prvku. alchymie. Paracelsus (16.st) Elektronová struktura atomů

Úvod do laserové techniky

Fotovodivost. Destička polovodiče s E g a indexem lomu n 1. Dopadající záření o intenzitě I 0 a hν E g. Do polovodiče pronikne záření o intenzitě:

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

Pokročilé cvičení z fyzikální chemie KFC/POK2 Vibrační spektroskopie

Základy NIR spektrometrie a její praktické využití

Transkript:

Úvod do spektroskopických metod Ondřej Votava

Osnova přednášky 1. Historický ý úvod 2. Zavedení základních pojmů 3. Fyzikální podstata spektroskopie 4. Vybrané moderní spektrální metody

Definice spektroskopie Definice: Spektroskopie je vědním oborem, který se zabývá měřením emise a absorpce různých vlnových délek viditelného i neviditelného záření. Spektroskopie je často užívána ve fyzikální a analytické chemii k identifikaci substancí na základě emitovaného nebo absorbovaného spektra. Zařízení k měření spekter je spektrometr. Spektroskopie může být klasifikována na základě veličiny, která je měřena nebo vypočítána, nebo podle měřicího procesu.

Jan Marek Marci (1595-1667) 1667) a Isaac Newton

Tmavé čáry v solárním záření: William Hyde Wollaston (1802) a Joseph von Fraunhofer (1813)

Fraunhoferovy linie v solárním záření

USTAV KIRCHHOFF ROBERT BUNSEN Kirchhoff and Bunsen went on to examine the spectrum of the sun in 1861 and were able to identify the chemical elements in the sun's atmosphere. They discovered two new elements, caesium and rubidium in the course of their investigations. Kirchhoff is perhaps best known for being the first to explain the dark lines in the sun's spectrum as caused by absorption of particular wavelengths as the light passes through gases in the sun's atmosphere. This work started a new era in astronomy.

První í praktický laboratorní spektrometr: GUSTAV KIRCHHOFF A ROBERT BUNSEN Annalen der Physik und der Chemie (1860)

Robert Bunsen in 1859: At present Kirchhoff and I are engaged in a common work which doesn't let us sleep...kirchhoff has made a wonderful, entirely unexpected discovery in finding the cause of the dark lines in the solar spectrum...thus a means has been found to determine the composition of the sun and fixed stars with the same accuracy as we determine sulfuric acid, chlorine, etc., with our chemical reagents. Substances on the earth can be determined by this method just as easily as on the sun, so that, for example, I have been able to detect lithium in twenty grams of sea water."

Spektroskopie a zrod kvantové mechaniky ax Karl Ernst Ludwig Planck Niels Henrik David Bohr Kvantování energie záření E = hν Diskrétní energetické hladiny v atomech

Elektromagnetické záření základní pojmy E B λ λ vlnová délka ν frekvence oscilací c rychlost světla λ = c ν E = hν

Škála vlnových délek a energií, používané jednotky Mikrovlnná Viditelná oblast Roentgenové paprsky Radio IČ UV gama paprsky 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 Vlnová délka nm Frekvence Hz 10 7 10 9 10 11 10 13 10 15 10 17 10 19 10 21 Vlnočet cm -1 10-3 10-1 10 1 10 3 10 5 10 7 10 9 10 11 Energie J 10-24 10-22 10-20 10-18 10-16 10-14 10-12 10-7 10-26 Energie ev 10-5 10-3 10-1 10 1 10 3 10 5 10 7

absorpce a emise fotonu kvantový popis PlanckůvPlanckův vztah: E = hν Atomy Atomy a molekuly vykazují diskrétní energetické stavy, které é lze získat řešením stacionární Schrodingerovy rovnice: HΨ = EΨE Absorpce Absorpce a emise fotonů je spojena s přechody mezi těmito stavy

Základní procesy Absorpce Absorpce a emise fotonu, Einsteinovy koeficienty 2 Absorpce: Spontánní emise: Indukovaná emise: 1

Interakce látky s elektromagnetickým dipólem Kmitající elektrický dipól: příklad z klasické elektrodynamiky + -

Absorpce záření Lambertův-Beerův zákon Zdroj záření Absorbující prostředí Detektor I=I 0 e -Nσl N - koncentrace absorbujících částic σ - absorpční průřez l - absorpční dráha

Příklady z reálného života Kmitající Kmitající dipóly v atomech a molekulách Pohyb elektronů v poli atomových jader Vibrace atomových jader Rotace polárních molekul - + A B - A B +

Elektronická excitace: vodíkový atom + p r e - E E n 1 n 2 n r E pot ~ -1/R 2 3 4 n=1 Vlnové funkce spojené s jednotlivými energetickými hladinami: atomové orbitaly

Electronická excitace v molekulách Více Více jader, více elektronů. Řešení nelze nalézt analyticky Nutno vzít v úvahu jak pohyb jader tak elektronů. Výpočty elektronických stavů molekul se zabývá obor zvaný kvantová chemie a budou předmětem následující přednášky a navazujícího cvičení

Molekulovéové orbitaly: užitečný fyzikální pohled A + B + - Antibonding MO E + + Bonding MO A B

Molekulovov orbitaly: užitečný fyzikální pohled A + B + - Antibonding MO + + Bonding MO B

Jednoduchý MO model pro π- konjugované é vazby

Molekulové ové vibrace: harmonický oscilátor Kvantový popis E E = hν = h 2π k M R 3 2 1 0 E R

Rotační stavy molekul A I = r 2 mamb m + m A B. J=3 r B h E ROT = J J 4πI Kde J= 0, 1... ( + 1) J=2 J=1 J=0 E rot = BJ(J+1)

vouatomov atomová á molekula A ~ A B Energie X ~. J=3 J=2 R AB J=1 J=0 E rot = BJ(J+1)

Spektrální oblasti a odpovídající molekulární přechody Gama paprsky Roentgenové paprsky UV Viditelná oblast IČ Mikrovlná Radio Vlnová délka nm 10-4 10-2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 Frekvence Hz 10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 9 10 7 Vlnočet cm -1 10 21 10 19 10 17 10 5 10 3 10 1 10-1 10-3 Energie Energie ev Kcal Elektronické stavy Vibrační stavy Rotační stavy 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 10-6 10 7 10 5 10 3 10 1 10-1 10-3 10-5 10-7

Metody detekce absorpce Zdroj záření Absorbující prostředí Detektor Přímé měření absorpce Nepřímé metody fluorescence fotoakustická detekce fotoionizace fotoelektronová spektroskopie

Fotoionizace a fotoelektronová spektroskopie AB + hν AB + + e - E(AB + ) + E(e - ) = E ph absorpce E AB + Detekce iontů napomáhá identifikaci absorbujících molekul Kinetická energie elektronů dává informaci o energetických stavech XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) mocný nástroj pro studium povrchů

Členění podle zkoumaného prostředí Plynné prostředí: : molekuly se volně pohybují s minimální interakcí s okolím ideáln lní pro studium izolovaných molekul, vysoké rozlišen ení. Kapalné prostředí: : molekuly v blízkém kontaktu s rozpouštědlem,, ztráta rotačního rozlišení, posuny vibračních a rotačních stavů Zpravidla velmi silné interakce s okolními molekulami (ztráta identity) Rozhraní a povrchy: specifické metody jsou potřeba kdy signál je generován výhradně z povrchu či rozhraní

Členění podle oboru zkoumání Fyzika: Fyzika: vysoce přesná měření, fundamentální konstanty, metrologie, astrofyzika... Chemie: Chemie: široké uplatnění snad ve všech oborech Biologie: Biologie: široké uplatnění v molekulární biologii, biofyzice

Závěr: Spektroskopické metody poskytují informaci o struktuře na atomové a molekulové úrovni Jsou velice specifické Mají vysokou citlivost Aplikace od fyziky až po medicínu

End of presentation