12.2. Способи зображення спектрів пропускання та поглинання
Спектральні дані записуються як залежність коефіцієнта поглинання від довжини хвилі, тобто виражаються за допомогою двох змінних величин-фактора інтенсивності і фактора довжини хвилі. Вибір найбільш придатних виразів для таких двох факторів залежить від умови роботи, області дослідження, а також від подальшого використання одержаних величин.
Хвильовий параметр виражається довжиною хвилі λ (мкм) або хвильовим числом ν' =І/λ (см-1). В більшості запис спектру проводять в процентах пропускання або процентах поглинання (рис. 12.3).
Рис. 12.3. Інфрачервоний спектр пропускання та поглинання дифенилового ефіру
12.3. Апаратура та приготування досліджуваних зразків
12.3.1. Спектрометр
Спектроскопом називають спектральний прилад для спостереження спектрів. В залежності від способу реєстрації спектру розрізняють спектрографи і спектрометри. Спектрограф - прилад, призначений для фотографування різних випромінювань. Спектрометр - спектральний прилад, призначений для реєстрації спектральних кривих і вимірювань спектральних характеристик. Спектральний прилад із фотометричною насадкою, призначений для вимірювання коефіцієнтів пропускання різних речовин називають спектрофотометром. На рис. 12.4 приведено скелетну схему спектрометра.
Рис. 12.4.Схема спектрометра:
1-джерело випромінювання; 2-кювета із зразком; 3-монохроматор; 4-вхідна і вихідна щілини монохроматора; 5-фокусуюча оптика; 6-диспергуюча оптика - призма або дифракційна гратка; 7-приймач випромінювання; 8-реєструючий пристрій
Широкого поширення набули двохпроменеві спектрометри. Вони містять всі вузли, перераховані на рис. 12.4, і ще додатковий пристрій, який дозволяє почергово одержувати сигнал при проходженні випромінювання через кювету із зразком і кювету порівняння. Внаслідок чого здійснюється автоматичний запис спектру зразка без фону (спектра розчинника, атмосферних парів та ін.).
12.3.2. Джерела інфрачервоного випромінювання
В якості джерела інфрачервоного випромінювання найчастіше всього використовують штифт Нернста і глобар.
Штифт Нернста являє собою циліндрик довжиною біля 3 см і діаметром від 1 до 3 мм, виготовлений із суміші оксидів цирконію та ітрію. В холодному стані штифт є ізолятором, для переводу якого у провідник потрібно розігрівати до 2000 К електричною спіраллю або газовим пальником. Якщо необхідне більш довгохвильове інфрачервоне випромінювання, замість штифтової лампи використовують силітовий випромінювач.
Силіт або глобар являє собою стержень із карбіду кремнію, розігріваємий на повітрі електричним струмом. Діаметр стержня може бути від 6 мм до 3...5 см, а довжина - кілька сантиметрів. Робоча температура стержня 1200...1400 К.
12.3.3. Монохроматори та їх оптичні характеристики
Для розкладання складного променистого потоку на його монохроматичні складові використовують монохроматори, основним елементом яких є диспергуюча система у вигляді призми, виготовленої із матеріалів, прозорих в ІЧ області спектру, або дифракційної ґратки.
В інфрачервоних спектрометрах найчастіше всього використовують трьохгранну призму з кутом заломлення 600. Оскільки скло не є прозорим для ІЧ-випромінювання, то для виготовлення призм використовують кристали LiF, NaCl, KCl, KBr, CsI. Із таких самих матеріалів виготовляють і деякі інші деталі оптичної системи.
Дифракційна ґратка являє собою ряд прозорих щілин, розділених однаковими непрозорими проміжками. Сучасні дифракційні ґратки мають 200, 300, 600, 1200, 1800 і 2400 штрихів на 1 мм.
До оптичних характеристик монохроматора відносяться лінійна дисперсія, роздільна здатність і світлосила.
Лінійна дисперсія dl/dλ визначається відстанню dl між двома лініями спектру, які відрізняються за довжиною хвилі на величину dλ (рис. 12.5).
Рис. 12.5. Схема оптичної системи найпростішого монохроматора:
1-вхідна щілина; 2-лінза коліматора; 3-диспергуюча призма; 4-фокусуюча лінза; АВ – крива, вздовж якої сфокусовано спектр
Лінійна дисперсія виражається в мм/нм та мм/мкм і показує лінійну ширину одиничного спектрального інтервалу в фокальній площині. Для практичного застосування більш зручною величиною є обернена лінійна дисперсія dλ/dl, яка показує, який спектральний інтервал має ширину, рівну лінійній одиниці. Так, наприклад, у приладі з оберненою дисперсією 0,1 нм/мм на 1 мм у фокальній площині припадає ділянка довжин хвиль dλ = 0,1 нм, цей прилад має більш високу дисперсію, ніж прилад, що має 5,0 нм/мм.
Роздільна здатність спектрального приладу λ/dλ визначається як відношення довжини хвилі λ до різниці довжин хвиль самих близьких ліній однакової інтенсивності, які ще можуть бути розділені приладом при такій довжині хвилі.
Світлосила монохроматора - відношення променевого потоку, який пройшов через вихідну щілину приладу, до яскравості його вхідної щілини.