SPEKTROSKOPIJA
Spektroskopija je prouč
proučavanje interakcija elektromagnetnog
zraka (EMZ) sa materijom.
Elektromagnetno
zračenje
Proces koji se odigrava
Talasna dužina
(m)
Energija
(J)
Frekvencija
(Hz)
γ-zračenje
Nuklearni prelazi
>10-12 – 10-10
10-13 – 10-15
1022 - 1019
x-zračenje
Prelazi elektrona u
unutrašnjim ljuskama
10-10 – 10-8
10-15 – 10-17
1019 - 1017
UV zračenje i vidljivo
zračenje
Prelazi valentnih i vezanih
elektrona
10-8 – 10-6
10-17 – 10-19
1017 - 1014
Molekulske vibracije i
molekulske rotacije
10-6 – 10-3
10-19 – 10-21
1014 - 1012
Mikrotalasno zračenje
Prelazi spina elektrona
10-3 – 10-1
10-21 – 10-24
1012 - 109
Radio talasi
Prelazi spina jezgra
10-1 – 103
10-24 – 10-26
109 - 105
bliska IR
IR zračenje
daleka IR
SPEKTROSKOPIJA
Elektromagnetna interakcija sa materijom uključ
uključuje:
- apsorpciju ili emisiju elektromagnetne energije
- kvantirane prelaze izmedju:
energija elektrona,
izmedju:
vibracija veza,
molekulskih rotacija,
rotacija molekula i
elektronskih i nuklearnih
spinova.
Interakcije EMZ - materija su iskoriš
iskorišćene kod ureñ
ureñaja koji
se nazivaju spektrometri, spektrofotometri ili spektroskopi.
Dobijeni spektari iz ovih ureñaja se snimaju grafič
grafički ili
fotografski i omoguć
omogućavaju prouč
proučavanje talsnih duž
dužina i
intenziteta EMZ apsorpcije ili emisije sa uzorka.
1
SPEKTROSKOPIJA
Elektromagnetno zrač
zračenje je energija koja se
prenosi kroz prostor najveć
najvećom moguć
mogućom
brzinom.
Ima i talasnu i čestič
estičnu (korpuskularnu) prirodu.
Talasni karakter EMZ se mož
može opisati talasnim
parametrima:
frekvencijom (ν
(ν),
brzinom širenja talasa (υ
(υ),
talasnom duž
dužinom (λ
(λ) i
talasnim brojem (ū
(ū).
SPEKTROSKOPIJA
Frekvencija (ν) je odnos broja talasa i
vremena koji prolaze kroz neku tač
tačku.
Ona zavisi od izvora zrač
č
enja,
a
ne zavisi
zra
od sredine kroz koju se zrač
zračenje širi.
Brzina širenja talasa (υ) se definiš
definiše kao
brzina kojom front talasa prolazi kroz
sredinu, zavisi od frekvencije i sredine.
Talasna duž
dužina (λ) je
je razmak izmeñu dva
susedna minimuma ili maksimuma talasa.
2
SPEKTROSKOPIJA
Brzina širenja talasa je umnož
umnožak frekvencije sa
talasnom duž
dužinom.
inom.
υ=νλ
υ=νλ
Brzina širenja EMZ u vakuumu nezavisna je od
frekvencije i ima maksimalnu vrednost:
C=2,99792458 • 108 ms-1
U svakoj drugoj sredini brzina širenja zrač
zračenja je
manja zbog interakcije zrač
zračenja i sredine. Kako je
frekvencija zrač
zračenja nezavisna od sredine i
odreñena je izvorom zrač
zračenja, talasna duž
dužina se
mora smanjiti kad zrač
zračenje iz vakuuma ulazi u
drugu sredinu.
SPEKTROSKOPIJA
Talasni broj (σ
(σ) je reciproč
recipročna vrednost talasne duž
dužine:
σ=1/λ=ν/υ
σ=1/λ=ν/υ
Elektromagnetni talasi mogu, pod odreñenim
odreñenim uslovima,
uslovima, delovati
jedan na drugi pri čemu nastaje superpozicija koja rezultira
pojač
pojačavanjem ili slabljenjem njihovih intenziteta, a to zavisi od
faza talasa koji čine rezultujuć
rezultujući talas. Ova pojava je poznata kao
interferencija.
interferencija.
EMZ se mož
može posmatrati kao da je sastavljeno od diskretnih
čestica energije koji se nazivaju fotoni (kvanti).
kvanti). Količ
Količina energije
koju prenosi foton zavisi od frekvencije zrač
zračenja i data je izrazom:
E = h ν = hc/λ
hc/λ = h c σ
h- Plankova (Planck) konstanta (6,62 • 10-34 Js)
v- frekvencija zrač
zračenja
3
SPEKTROSKOPIJA
Ukupna energija atoma ili molekula se sastoji iz sledeć
sledećih
doprinosa:
unutraš
unutrašnjosti jezgra,
interakcije jezgra i atoma,
spina elektrona i jezgra,
vibracionih i rotacionih kretanja u molekulu i
translatornog kretanja atoma i molekula kroz
prostor.
Količ
Količine različ
različitih oblika energije se mogu prikazati sledeć
sledećim
redosledom:
∆E elektrona > ∆E vibracije > ∆E rotacije > ∆E elektronskog
spina > ∆E spina jezgra
SPEKTROSKOPIJA
Pobuñeni atomi i molekuli žive relativno
kratko i tež
teže da se vrate u osnovno stanje
nakon ∼ 10-8 sekundi.
Energija osloboñena u tom procesu
najč
najčešće se iskazuje kao toplota.
toplota.
Pobuñene vrste mogu biti podvrgnute
hemijskoj promeni koja troš
troši energiju
(foto
fotohemijska reakcija)
reakcija) ili zrač
zračenje mož
može
biti reemitovano (fluorescencija ili
fosforescencuja).
fosforescencuja).
4
SPEKTROSKOPIJA
Kako su razlike izmeñu kvantiranih nivoa energije jedinstvene za
svaku hemijsku vrstu prouč
proučavanje frekvencija apsorbovanog
zrač
zračenja omoguć
omogućava karakterizaciju sastava u uzorku materije.
Tada se eksperimentalno utvrñuje smanjenje snage zrač
zračenja
(apsorbancija) u zavisnosti od talasne duž
dužine ili frekvencije što se
prikazuje u obliku apsorpcionog spektra.
spektra.
Opš
Opšti oblik apsorpcionog spektra mož
može biti veoma različ
različit i zavisi
od:
od:
slož
složenosti,
fizič
fizičkog stanja i
okoline vrste koja apsorbuje
(spektri atomske apsorpcije se sastoje od ogranič
ograničenog broja vrlo
oštrih maksimuma, spektri molekulske apsorpcije su
okarakterisani apsorpcion
apsorpcionim trakama šireg područ
područja talasnih
duž
dužina).
SPEKTROSKOPIJA
Pri prolazu EMZ kroz propusni sloj čvrste, teč
tečne ili gasovite
materije neke frekvencije mogu biti selektivno vezane
procesom koji se naziva apsorpcija.
apsorpcija. Tada se energija
zrač
zračenja prenosi na atome ili molekule uzorka, a posedica
toga je prevoñ
prevoñenje tih čestica iz osnovnog u pobuñeno
stanje.
Atomi, joni ili molekuli imaju veoma veliki broj diskretnih,
kvantiranih nivoa energije, a zrač
zračenje se mož
može apsorbovati
samo kad se energija pobuñenog fotona tač
tačno podudara sa
razlikom energije izmeñu osnovnog stanja i jednog od
pobuñenih stanja materije koja apsorbuje čestica. Ako su E1
i E2 energije dva nivoa (pri čemu je E1>E2), a razlika meñu
njima je ∆E, frekvencija zrač
zračenja koja ulazi u interakciju će
biti data izrazom:
izrazom:
E2 – E1=∆Ε= h ν
5
SPEKTROSKOPIJA
Kad su čestice koje zrač
zrače jedna od druge dovoljno udaljene
da se ponaš
ponašaju kao nezavisna tela tada proizvode zrač
zračenje
koje se sastoji od relativno malo specifič
specifičnih talasnih duž
dužina.
Spektar koji tada nastaje kao rezultat takvog zrač
zračenja je
diskontinualan i naziva se linijski spektar.
spektar. Linijski spektri
potič
potiču od atoma ili jednostavnih molekula koji su, na pr. u
gasovitim stanju.
Nasuprot tome, kontinualni spektri su takvi kod kojih se
pojavluje mnoš
mnoštvo linija u malom delu spektralnog područ
područja
pa su pojedine lini
linije meñusobno vrlo blizu i teš
teško se mogu
razdvojiti. Ovakvi spektri potič
potiču od slož
složenih molekula koji
poseduju veliki broj bliskih energetskih stanja (č
(čvrsta tela i
teč
tečnosti) u kojima su atomi toliko blizu jedan drugom da se
ne mogu ponaš
ponašati nezavisno.
6
Download

1 SPEKTROSKOPIJA