Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие к специальному физическому практикуму по оптической спектроскопии
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский педагогический государственный университет»
А. В. Наумов, Н. Л. Наумова, К. Р. Каримуллин
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
2-е издание, стереотипное
электронное
МПГУ
Москва • 2024
УДК 544(07)
ББК 22.344я81
Н342
Рецензенты:
В. В. Самарцев, доктор физико-математических наук, профессор,
заведующий лабораторией нелинейной оптики
Казанского физико-технического института имени Е. К. Завойского
Казанского научного центра Российской академии наук
А. А. Калачев, доктор физико-математических наук, профессор РАН,
ВРИО директора Казанского физико-технического института
имени Е. К. Завойского Казанского на
учного центра
Российской академии наук
Наумов, Андрей Витальевич.
Н342 Учебно-методическое пособие к специальному физическому прак-
тикуму по
оптической спектроскопии / А. В. Наумов, Н. Л. Наумова,
К. Р. Каримуллин. – 2-е изд., стер. электрон. – Москва: МПГУ, 2024.
– 44 с. – Текст: электронный.
ISBN 978-5-4263-0371-3
Данное пособие предназначено магистрантам физических факультетов вузов
для изучения теоретических вопросов и выполнения практических заданий по оптической спектроскопии.
УДК 544(07)
ББК 22.344я81
ISBN 978-5-4263-0371-3
© МПГУ, 2016
© Наумов А. В., Наумова Н. Л.,
Каримуллин К. Р., 2016
СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Лабораторная работа № 1
Аппаратная функция спектрального прибора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Лабораторная работа № 2
Атомные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Лабораторная работа № 3
Спектры люминесценции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Лабораторная работа № 4
Экспериментальная оптическая спектрофотометрия . . . . . . . . . . . . . .24
Лабораторная работа № 5
Люминесцентный микроскоп-спектрометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Лабораторная работа № 6
Электронно-колебательные спектры
примесных молекул в твердых матрицах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
3
ВВЕДЕНИЕ
Спектроскопия, в широком понимании, – наука о взаимодействии электромагнитного поля с веществом, а электромагнитное поле
рождается в любой среде, где есть заряды. В классической теории
излучение рассматривается как совокупность электромагнитных
волн с разными длинами, а в квантовой теории – как совокупность
фотонов с разными энергиями. В настоящее время, чтобы подчеркнуть современные
излучения (в частности, о квантовой природе света), для обозначения этой области науки часто используют термины «фотоника»
или «квантовая оптика». В этом случае мы рассматриваем процессы, связанные с взаимодействием вещества с квантами электромагнитного поля – фотонами. Если вы смогли зарегистрировать это
поле (или
бразных процессах в этом веществе, независимо от того, живое это
вещество или просто атом.
Можно сказать, что спектроскопия – это зрение современной науки: так же как зрение для человека, именно спектроскопия дает науке
бóльшую часть информации об окружающем мире.
Спектроскопия охватывают практически
науки: от ядерной физики до астрофизики, от устройства атома до понимания физики и химии процессов в живых организмах, от материаловедения до создания сложнейших инновационных продуктов электроники. Недаром многие современные открытия по физике, химии
и медицине, отмеченные Нобелевскими премиями, так или иначе, связаны со
троскопических исследований.
Несколько примеров:
• можно исследовать материалы при сверхнизких или сверхвысо-
• с помощью излучения можно ионизировать атомы, диссоцииро
фотоны), у вас появляется возможность судить о разноо-
спектроскопией и чаще всего были бы невозможны без спек-
ких температурах (например, термоядерную плазму) и изучать,
таким образом, в лабораторных условиях физические процессы,
протекающие как в пустоте космоса, так и в звездах;
вать молекулы, управлять химическими реакциями, управлять
движением атомов, наблюдать излучение единичных атомов
и молекул;
представления о природе электромагнитного
все области современной
-
4
ВВЕДЕНИЕ
• вся современная астрофизика базируется на данных, полученных спектральными методами;
• современные методы в биофизике и медицине (операции с помощью лазера, неинвазивные методы диагностики).
Теоретическое значение спектроскопии очень велико: исследования
спектров теплового излучения положили начало всей квантовой теории;
экспериментальный материал по спектрам испускания и поглощения
атомов и установленные закономерности в
расположении спектральных
линий позволили решить многие вопросы строения вещества.
Практические и научно-прикладные применения спектроскопии необычайно широки. Так, например, современная металлургия не возможна
без методов спектрального анализа. Так, например, одним из решающих
факторов в победе в Великой Отечественной войне стало превосходство
брони советских танков по сравнению с немецкими аналогами.
Добиться высокого качества брони удалось путем целенаправленного внедрения
методов спектрального анализа на всех металлургических предприятиях: специально для этого была закуплена целая партия кварцевого стекла
и запущено производство призменных спектрометров для экспресс-анализа металлов и сплавов непосредственно при их выплавке.
Разделы спектроскопии – классификация
Обычно выделяют разделы спектроскопии в соответствии с тем,
взаимодействие с каким объектом (веществом) рассматривается:
• атомная спектроскопия;
• молекулярная спектроскопия;
• спектроскопия плазмы;
• спектроскопия конденсированных сред.
И более детализированная классификация:
• спектроскопия редкоземельных элементов;
• спектроскопия лазерных кристаллов;
• спектроскопия наноструктур;
• спектроскопия квантовых точек;
• спектроскопия одиночных молекул и т.п.
Еще один
способ классификации разделов и методов спектроскопии – по частотному диапазону электромагнитного излучения (по длине волны):
5
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
• радиочастотная;
• оптическая;
• рентгеновская;
• область гамма-излучения.
Спектр электромагнитного излучения изображен на рис. 1.
Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения
Кроме того, каждый из диапазонов в зависимости от задачи может
подразделяться на более мелкие диапазоны. Например, все вы хорошо
знаете, что радиочастотный диапазон делится на диапазоны: длинные,
средние длины, короткие длины волн, ультракороткие волны (вы постоянно сталкиваетесь с этой классификацией, когда настраиваете радиоприемники или телевизоры).
В данном практикуме мы
будем касаться только свойств излучения
в оптическом диапазоне длин волн. Эту область подразделяют условно
на три диапазона:
• инфракрасная область спектра (0,74 мкм – 2000 мкм), при этом
область 50–2000 мкм выделяют в отдельную – терагерцовая
спектроскопия;
• видимая область спектра (400-700 нм);
• ультрафиолетовая область спектра (10–700 нм).
Важное место в спектроскопии, и в целом в естествознании, зани
мают процессы, связанные с явлением люминесценции. Люминесценцией называют, обычно, нетепловое свечение вещества, происходящее
после поглощения им энергии возбуждения.
-
6
ВВЕДЕНИЕ
При люминесценции система теряет энергию, и для компенсации
этих потерь нужно подводить энергию извне. Как правило, разновидности люминесценции классифицируются именно по типу этого
внешнего источника энергии:
• хемилюминесценция (энергия химических реакций) возбуждает;
• биолюминесценция (излучение живого организма, например
свечение светляков);
• фотолюминесценция (система получает энергию, поглощая ин-
фракрасный, видимый и ультрафиолетовый
свет);
• электролюминесценция (энергия электрического поля).
При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом
среды могут наблюдаться различные явления: отражение, поглощение, испускание, рассеяние света и др. В результате этого взаимодействия могут изменяться свойства как самого излучения, так
и среды. Взаимодействие поля излучения с атомами или молекулами вещества приводит к квантовым
переходам между возможными
энергетическими состояниями этих микросистем. В переходах с поглощением, испусканием или рассеянием света участвуют либо валентные электроны атомов, либо колебательные или вращательные
степени свободы молекулы, либо коллективные состояния кристаллов (фононы, экситоны и др.).
Формирование оптических спектров
При рассмотрении процессов взаимодействия какого-либо объекта (атома, молекулы) с электромагнитным излучением рассматривают
обычно схему энергетических состояний этого объекта и различных
переходов между ними (см. рис. 2).
Каждый электронный уровень расщепляется на серию колебательных, а каждый колебательный – на серию тесно расположенных вращательных уровней. Если система переходит из энергетически более
низкого состояния в более высокое, то такой процесс сопровождается поглощением света. Обратный переход из возбужденного в более
низкое, чаще в основное, состояние может сопровождаться испусканием света (люминесценцией), либо рассеянием света. Если энергия
возбужденного состояния перераспределяется по различным степеням свободы всей системы (например, путем неупругих столкновений
7
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
атомов или молекул в среде, возбуждения колебаний или вращений
молекул и др.), то может произойти безызлучательный переход. Энергия первоначального возбуждения расходуется тогда на нагрев всей
системы в целом.
Рис. 2. Электронный спектр с колебательными подуровнями
Переходы с поглощением и испусканием света принято указывать
сплошными вертикальными стрелками, безызлучательные – волнистыми. Длина вертикальной стрелки соответствует энергии падающего
и испущенного фотона (в относительных единицах). Поглощение атомом или молекулой кванта света может произойти только в том случае,
если величина кванта точно равна разности энергий двух состояний,
возможных для системы
переходит с нижнего уровня (Е
. В результате поглощения кванта света система
) на более высокий уровень (Е2):
1
hv = Е
– Е1 ,
2
где hv – это энергия поглощенного фотона.
8
ВВЕДЕНИЕ
Полная энергия определенного состояния молекулы может быть записана как сумма энергии электронного возбуждения, колебательной
энергии и вращательной энергии:
Е = Е
эл
+ E
кол
+ Евр,
а уравнение для полного изменения энергии при поглощении кванта света можно представить в виде суммы изменений количества электронных,
колебательных и вращательных квантов:
hv = ΔЕэл+ΔЕ
+ΔЕвр.
кол
Колебательные кванты меньше электронных, а вращательные
меньше колебательных.
Как падающий на вещество свет, так и испущенное или поглощенное излучение имеют свое распределение интенсивности по длинам
волн, называемое спектром I(λ). Для испускания – это будет спектр ис-
пускания (эмиссионный спектр, спектр излучения), для поглощения –
спектр поглощения (абсорбционный спектр).
характеру зависимости I(λ) спектры бывают линейчатые, по-
По
лосатые, сплошные или смешанные. Вид спектра существенно определяется свойствами среды. Обычно спектры испускания и поглощения атомов – линейчатые, молекул в растворах – полосатые, нагретых
тел – сплошные, а спектры молекулярных кристаллов часто бывают
смешанными.
На рис. 3–6 приведены примеры различных спектров.
Рис. 3. Линейчатый спектр излучения галогеновой лампы накаливания
9
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Рис. 4. Полосатый спектр поглощения суспензии яичного лецитина
Рис. 5. Сплошной спектр поглощения поли-L-лизина в водном растворе. I – беспорядочный
клубок, рН 6,0, 25°С; II – α-спираль, рН 10,8, 25°С; III – β-слой, рН 10,8, 52°С
(из К. Rosenheck, P. Doty, Ргос. Natl. Acad. Sci. USA, 47, 1775 (1961))
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]