169 VYŠETROVANE LÁTOK SPEKTROSKOPOM SPEKOL RNDr. Jaroslav Kovár A. MERANE SPEKTRÁLNEJ ABSORPTANCE LÁTOK Teoretický úvod: Ak svetlo prechádza opticky homogénnym prostredím, tak časť svetla je vrstvou prostredia absorbovaná (pohltená) a časť svetla touto vrstvou prechádza. Ak je intenzita dopadajúceho svetla, platí = + A, kde je intenzita prepusteného svetla a A intenzita absorbovanej časti svetla. ntenzita prepusteného svetla je pritom tým menšia, čím väčšou vrstvou látky svetlo prechádza. Ak jednotková vrstva látky spôsobí zoslabenie prepusteného svetla 1 = b, kde 1 je intenzita svetla po prejdení jednotkovej vrstvy a b merný činiteľ prestupu, pričom < b 1. Látka vrstvy d spôsobí zoslabenie d = b. (1) Ak b=1, znamená to, že = látka svetlo nezoslabuje. Ak b =, svetlo látkou neprechádza. Vzťah (1) vyjadruje Lambertov zákon, ktorý hovorí, že ak hrúbka látky pribúda aritmetickým radom, intenzita svetla ubúda radom geometrickým. Logaritmovaním (1) dostaneme alebo log log + dlog b log = = dlog b. Záporný logaritmus priepustnosti log b sa pre zjednodušenie označuje α a nazýva sa súčiniteľ pohltenia, alebo tiež absorpčný koeficient α = log b. Pod pojmom extinkcia rozumieme logaritmus pomeru intenzity svetla vstupujúceho do prostredia k intenzite prepusteného svetla E = log = αd. (2) Odlogaritmovaním (2) dostávame αd E =. 1 =. 1. (3) Rovnica (3) je vyjadrením Lambertovho absorpčného zákona.
17 Súčiniteľ pohltenia α sa číselne rovná prevrátenej hodnote takej hrúbky látky d, ktorá zoslabí pôvodnú intenzitu svetla na jednu desatinu pôvodnej intenzity. Koeficient α je veličina, ktorá závisí najmä od akosti prostredia a od vlnovej dĺžky prechádzajúceho svetla, ďalej od teploty a od tlaku, ale nezávisí od hrúbky d. Beer vyšiel z predpokladu, že absorpcia vo vrstve d závisí len od celkového počtu absorbujúcich častíc (atómov molekúl). Ak je koncentrácia absorbujúcich centier c, tak koeficient absorpcie α možno písať v tvare α = ε c (4) kde veličina ε je za daných podmienok materiálová konštanta závislá od vlnovej dĺžky svetla, teploty a tlaku. Na základe toho možno písať a E = εcd =. 1 εcd. (5) Vzťah (4) sa označuje ako Beerov zákon a vzťah (5) ako Lambertov-Beerov zákon. Platí len pre malé koncentrácie. Pomer intenzity prepusteného svetla k intenzite dopadajúceho svetla vynásobený 1 sa nazýva transparencia T T =. 1 (6) a vyjadruje sa v percentách. Prevod medzi transparenciou vyjadrenou v % a extinkciou je E 1 = log = 2 log T T. (7) Pomer intenzity pohlteného svetla k intenzite dopadajúceho svetla vynásobený 1 sa nazýva absorpcia A. A =. 1 (8) a tiež sa vyjadruje v percentách, pričom je zrejmé, že platí T + A = 1. (9) Popis zariadenia: Priepustnosť, resp. pohltivosť látky určíme pomocou spektrofotometra, pričom určujeme iba pomerné hodnoty týchto veličín, to znamená, že ich porovnávame s hodnotami pre normál (číra priepustná látka), ktoré kladieme na úroveň 1%. Spektrofotometer je prístroj zložený z dvoch základných častí, fotometra a monochromátora. Monochromátor je prístroj, ktorý po rozklade svetla na jeho monochromatické zložky vymedzuje zo spektra úzku oblasť vlnových dĺžok. Biele svetlo sa na jednotlivé zložky môže rozložiť lomom a ohybom. Rozklad svetla hranolom (lomom) sa zakladá na závislosti indexu lomu od vlnovej dĺžky. Túto závislosť opisuje disperezná krivka. Pri normálnej disperzii index lomu látok so vzrastajúcou vlnovou dĺžkou svetla klesá. Pri rozklade svetla hranolom sa fialové svetlo láme viac ako červené svetlo. ndex lomu látok sa v oblasti krátkych vlnových dĺžok mení strmšie ako v oblasti väčších vlnových dĺžok. Spektrum získané lomom na hranole bude v oblasti kratších vlnových dĺžok viac roztiahnuté a v oblasti väčších vlnových dĺžok bude zhustené.
Rozklad svetla mriežkou (ohybom) sa zakladá na jave, že ak vlnenie prechádza okolo prekážky, ktorej rozmery sú porovnateľné s jeho vlnovou dĺžkou, preniká aj do oblasti geometrického tieňa prekážky a utvára za ňou chrakteristické rozloženie maxím a miním amplitúdy. Toto prenikanie vlnenia za prekážku závisí od tvaru prekážky a od pomeru jej rozmerov k vlnovej dĺžke vlnenia. Závislosť ohybu svetla od vlnovej dĺžky sa využíva na rozklad svetla optickou mriežkou. Fotometer je zariadenie, ktoré v rôznych úpravách umožňuje zisťovať rôzne fotometrické veličiny ako napr. odraznosť látok, priepustnosť resp. pohltivosť látok, koncentráciu roztokov (kolorimetre) a pod. Fotometer môže byť pritom subjektívny alebo objektívny. Subjektívna fotometria využíva schopnosti oka vnímať veľmi malé rozdiely jasu medzi dvoma osvetlenými ploškami. Pri objektívnych fotometrických metódach je ľudské oko nahradené citlivým čidlom, ktorým môže byť: fotografická doska, fotočlánok (hradlový, emisný) a termočlánok. Objektívne metódy sú výhodnejšie pre svoju väčšiu citlivosť, ako aj použiteľnosť v spektrálnych oblastiach, ktoré ležia mimo viditeľnej oblasti, t. j. ultrafialovej alebo infračervenej. Úlohy: 1. Zistite závislosť transparenčného koeficienta od vlnovej dĺžky svetla pre rôzne látky. 2. Zistite závislosť extinkčného koeficienta od vlnovej dĺžky pre rôzne látky. 3. Zistite závislosť absorpcie od vlnovej dĺžky pre rôzne materiály. Postup merania: 1. K monochromátoru pripojíme fotometrické zariadenie typu kolorimetra. 2. Pri vypnutom fotočlánku (resp. zaclonenom) nastavíme index galvanometra na nulu transparenčnej stupnice, resp. na extikčnej stupnice. 3. Na stupnici vlnových dĺžok monochromátora nastavíme vlnovú dĺžku 38 nm a zapneme fotočlánok. 4. Svetlo necháme prechádzať čírou látkou (slúži ako normál), pričom regulačným odporom fotočlánku nastavíme index galvanometra na 1% transparencie, resp. O extinkcie. 5. Vymeníme látku za inú a odčítame transparenciu resp. extinkciu. 6. Na stupnici vlnových dĺžok monochromátora nastavujeme ďalšie vlnové dĺžky až po hodnotu okolo 8 nm. Vlnové dĺžky meníme po 2 nm. 7. Z nameraných hodnôt transparencie určíme hodnoty absorpcie a zostrojíme závislosť transparencie a absorpcie od vlnovej dĺžky. Poznámka: Ľudské oko v našom meraní je zastúpené dvomi fotočlánkami, z ktorých jeden pokrýva prvú polovicu intervalu vlnových dĺžok a druhý zasa druhú polovicu daného intervalu. Dané riešenie je robené z dôvodov závislosti citlivosti fotočlánku od vlnovej dĺžky svetla. 171 B. MERANE SPEKTRÁLNEJ REFLEKTANCE LÁTOK Teoretický úvod: Ak dopadá svetelné žiarenie na nejakú látku, časť sa ho odrazí, časť látka prepustí a zvyšok pohltí. Ak pozorujeme telesá vo svetle odrazenom (t. j. oko zachycuje len odrazené svetelné žiarenie) záleží na tom, koľko svetelného žiarenia a akej vlnovej dĺžky sa odrazí. Tým je daná sýtosť a tón farby. Môžeme teda pomer odrazeného svetelného žiarenia k svetelnému žiareniu dopadajúcemu na predmet označiť ako odraznosť látky R. Avšak R nie je pre farebnú látku konštantné, ale závisí od vlnovej dĺžky svetla. Môžeme teda podľa priebehu funkcie R λ = f ( λ ) veľmi presne porovnať sýtosť a tón farby dvoch telies. R λ potom nazývame spektrálnou odraznosťou látky.
172 Poznámka: Nedokonalosť ľudského oka môže však spôsobiť, že teleso odrážajúce svetlo len dvoch vlnových dĺžok (napr. žltej a modrej) sa nám javí ako farebné o vlnovej dĺžke, ktorú látka vôbec neodráža (napr. zelené). Toho sa využíva vo farebnej fotografii, kde skladaním troch základných farieb (žltej, modrej, červenej) môžno vytvoriť subjektívne akúkoľvek farbu. Popis zariadenia a metóda merania: Pomernú reflektanciu R určíme najlepšie tak, že fotometrom porovnávame za toho istého osvetlenia svetlosť (jas) B vzorky so svetlosťou (jasom) B` matnej bielej plochy (normálu). Potom pre pomernú reflektanciu R platí B B R =, resp. R [% ] =. 1. (1) B` B` Na porovnanie jasu plôch vzorky a normálu použijeme fotometer s Ulbrichtovou guľou, ktorý umožňuje dodržať podmienku rovnakého osvetlenia vzorky a normálu tým, že ich umiestňujeme na vnútornú stenu bielej Ulbrichtovej gule. Ak umiestnime zdroj svetla (i taký, ktorý nevysiela vo všetkých smeroch rovnaké množstvo svetla) vo vnútri Ulbrichtovej gule, dá sa dokázať, že ľubovoľné dve miesta na vnútornej stene sú rovnako osvetlené, ak sú zatienené proti svetlu vychádzajúcemu priamo zo zdroja. Pre zvýšenie presnosti merania určujeme odraznosť daným fotometrom substitučnou metódou. Najprv vložíme na merací otvor O (obr. 1) normálovu bielu doštičku a jej svetlosť B` porovnáme so svetlosťou S určitého miesta na vnútornej stene Ulbrichtovej gule U. Potom nahradíme (substituujeme normálovu bielu doštičku meraným objektom (vzorkou) a opäť porovnáme svetlosť B vzorky s tým istým miestom na vnútornej stene Ulbrichtovej gule. Z pomeru hodnôt získaných pri oboch meraniach možno Foto clanok Obr. 1 O U` určiť pomernú odraznosť objektu meraného substitučnou metódou B /S B R = =. (11) B`/S B` Ak označíme v zhode s (1) B = E pomer S B ` svetlosti B meraného predmetu, = E` pomer S svetlosti B` normálu k svetlosti S miesta na vnútornej strane Ulbrichtovej gule, dostaneme zo vzťahu (11) výsledný vzorec pre meranie pomernej reflektancie substitučnou metódou E R =. (12) E` Poznámka: Pomernú hodnotu odraznosti možno odčítať priamo v % na transparenčnej stupnici galvanometra na základe formálnej podobnosti vzťahov definujúcich reflektanciu látky resp. priehľadnosť látky. Úlohy: 1. Určiť pomernú spektrálnu reflektanciu pre tri rôzne vzorky v intervale vlnových dĺžok 38 nm až 8 nm. 2. Zostrojiť krivky pomernej reflektancie v závislosti na vlnovej dĺžke svetla pre dané materiály.
Postup merania: 1. Na daný monochromátor pripevníme fotometer (Ulbrichtovu guľu s fotočlánkom). 2. Pri vypnutom fotočlánku nastavíme index galvanometra na nulu transparenčnej stupnice. 3. Na stupnici vlnových dĺžok monochromátora nastavíme vlnovú dĺžku 38 nm a zapneme fotočlánok. 4. Svetlo necháme dopadať na bielu doštičku, ktorú vložíme do otvoru O a regulačným odporom fotočlánku nastavíme index galvanometra na 1% transparencie. 5. Vymeníme bielu doštičku za vyšetrovanú látku (vzorku) a na stupnici galvanometra odčítame hodnotu transparencie. 6. Na stupnici vlnových dĺžok monochromátora nastavujeme ďalšie vlnové dĺžky až po hodnotu 8 nm a striedavo opakujeme bod 4. a 5. Vlnové dĺžky meníme po 2 nm. 7. Z nameraných hodnôt transparencie zostrojíme ich príslušné krivky, t. j. grafy pomernej odraznosti od vlnovej dĺžky. Kontrolné otázky: 1. Definujte intenzitu svetla! Napíšte Lambertov-Beerov zákon a uveďte jeho význam! 2. Ako možno rozložiť biele svetlo na jednotlivé monochromatické zložky? Popíšte príslušné mechanizmy rozkladu. Aké druhy spektier poznáme? Bližšie ich charakterizujte. 3. Aké informácie o látkach možno získať štúdiom týchto spektier? 4. Definujte veličiny: odraznosť látky, priepustnosť látky, pohltivosť látky. 5. Definujte transprenciu a extinkciu látky! Ako súvisí extinkcia s transparenciou? Úloha je prevzatá, doplnená a opravená, zo skrípt: Doc. RNDr. Drahoslav Vajda, CSc., Doc. ng. Július Štelina, CSc., RNDr. Jaroslav Kovár, ng. Ctibor Musil, CSc., RNDr. van Bellan, Doc. ng. gor Jamnický, CSc. Návody k laboratórnym cvičeniam z fyziky, vydala Žilinská univerzita vo vydavateľstve EDS, 2. nezmenené vydanie, rok 23. 173