11

Метод оптического поглощения Содержание

Введение. Оптическая спектроскопия

1.Физическая сущность и основные определения.

1.1. Взаимодействие света с веществом

1.2. Поглощение света твердым телом

1.3. Закон Бугера-Ламберта-Бера

1.4. Спектр поглощения и его основные метрологические параметры

2. Аппаратура и методы получения спектров оптического поглощения

2.1. Методы регистрации оптического поглощения

2.2. Основные типы спектрофотометров

2.3. Особенности получения спектров поглощения кристаллов

3. Основные теории твердого тела для интерпретации спектров поглощения

3.1. Зонная теория (ЗТ)

3.2. Теория кристаллического поля (КП)

3.3. Теория молекулярных орбиталей (МО)

4. Экспериментальная часть

4.1. Однолучевая лабораторная спектрофотометрическая установка, спектрофотометры СФ-14, СФ-26 (технические характеристики и методика получения спектров поглощения).

4.2. Регистрация спектров поглощения рубина и шпинели (Со²⁺).

4.3. Интерпретация спектров поглощения рубина и шпинели (Со²⁺) в рамках теории КП

Введение. Оптическая спектроскопия

Оптическая спектроскопия ─ раздел общей спектроскопии твердого тела, предметом которой является изучение взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

Спектроскопия твердого тела является одним из надежных и точных инструментов позволяющим определять энергетические уровни (состояния) твердого тела и идентифицировать электронные и фононные переходы между ними. В спектроскопии твердого тела электромагнитные волны используют как зонд и изучают отклик твердого тела на зондирующее излучение.

В твердом теле возможны:

а) движение электронов;

б) колебания атомов и групп атомов;

в) собственные вращения электронов, ядер и ядерных частиц.

Каждому типу движений частиц или их групп соответствуют свои уровни энергии и свой тип спектроскопии чувствительный к тем или иным особенностям строения твердого тела.

Ввиду единства природы электромагнитного излучения любых частиц (от радио- до гамма-излучения) все виды спектроскопии принципиально похожи друг на друга, однако экспериментальные установки сильно различаются по своей конструкции из-за сильных различий в источниках и приемниках в разных видах спектроскопии.

Весь комплекс существующих в природе электромагнитных волн образует спектр электромагнитных колебаний.

В спектре электромагнитных колебаний различают следующие основные участки излучения (поглощения): гамма, рентгеновское, оптическое и радиодиапазон. Эти участки электромагнитного спектра сильно отличаются как по своей природе, так и по характеру взаимодействия с веществом. Границы между участками условны. Так, например, излучение с длиной волны около 0,1 мкм можно считать либо как мягкое рентгеновское, либо как жесткий ультрафиолет.

Радиоизлучение возникает при движении свободных электронов в веществе. Его генерируют и принимают с помощью классических электронных схем, образующих резонансную систему (колебательный контур). Инфракрасное излучение возникает при колебательных и вращательных движениях атомов. Видимое и ультрафиолетовое излучение (поглощение) – результат электронных переходов во внешних электронных оболочках атомов и молекул, а рентгеновское – результат электронных переходов во внутренних оболочках атомов или при торможении быстрых электронов. Гамма излучение (поглощение) имеет ядерную природу.

По мере уменьшения длины волны резко меняется характер электромагнитного излучения. В случае низкочастотных колебаний и колебаний радиодиапазона отчетливо проявляются их волновые свойства; рентгеновское и гамма излучения проявляют корпускулярный характер. В оптическом диапазоне излучение характеризуется как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Оптический диапазон простирается от условной границы ИК-спектра при λ=100 мкм до границы УФ при λ=0,1 мкм и подразделяется на поддиапазоны:

УФ: 0,1 – 0,4 мкм;

Видимый: 0,4 – 0,75 мкм;

ИК: 0,75 – 2,5 мкм – ближний ИК;

2,5 – 25 мкм – средний ИК;

25 – 100 мкм – дальний ИК.

Таким образом, со стороны коротких длин волн оптическая спектроскопия граничит со спектроскопией рентгеновских лучей, а со стороны длинных волн – со спектроскопией радиочастотного диапазона.

На практике на разных участках оптического диапазона используют свои единицы измерения длины волны: в ИК-диапазоне - это микрометр (1мкм=10^-6 м) и волновые числа (см^-1); в видимом и УФ-диапазонах – нанометр (1нм = 10^-9 м) и ангстрем (1Ǻ=10^-10 м, или 1нм = 10Ǻ).

Поскольку длина волны (λ), частота колебания (ν) и скорость света (с) связаны соотношением с = λ·ν, то для характеристики излучения помимо единиц длины волны используют частотные единицы, выражаемые в герцах (1мкм соответствует 3·10¹⁴ Гц), а также обратную длине волны величину, называемую волновым числом ν =1/λ (см^-1). Волновое число выражает количество волн данной длины, укладывающихся на одном сантиметре.

Следует иметь в виду, что спектроскописты, измеряя различные характеристики поглощенного и излученного света при переходах между энергетическими состояниями, часто не задумываясь, пользуются частотами, длинами волн и волновыми числами, как если бы это были энергетические единицы. При этом, например, говоря «энергия 10 см ^–1», подразумевают «расстояние между уровнями энергии таково, что соответствующее излучение имеет волновое число 10 см ^–1».