МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра общей физики

Оптические методы исследования ультрадисперсных алмазов

Работа студента 505 группы

Бородина Петра Алексеевича

Научный руководитель:

к. ф.-м.н., ст. преподаватель

Пацаева Светлана Викторовна

Москва

2011 г.

Содержание

Введение	3
Спектры оптической плотности	4
Спектры люминесценции Спектр испускания флуоресценции Спектр возбуждения флуоресценции	5 7 8
Динамическое рассеяние света (ДРС)	9
История открытия динамического рассеяния света Теория динамического рассеяния света	9 9
Когерентная фазовая микроскопия Физические основы когерентной фазовой микроскопии Метод измерения абсолютного показателя преломления жидкостей методом КФМ Исследование спектральных свойств УДА Спектры оптической плотности УДА Спектры испускания и возбуждения флуоресценции УДА Исследование размеров частиц и агрегатов УДА методом ДРС Исследование фазовых изображений и показателя преломления частиц УДА методом КФМ Получение и исследование фазовых изображений агрегатов УДА Измерение показателя преломления суспензии УДА методом КФМ	12 12 15 17 17 17 19 25 26 28
Основные результаты и выводы Благодарности	34 35
Список литературы	36

Введение

Применение углеродных наноматериалов, в том числе наноалмазов, имеет огромную перспективу для науки, производства и новых технологий. Наноалмазы (или ультрадисперсные алмазы, УДА) находят практическое применение в качестве сорбентов и носителей катализаторов, антифрикционных смазок и покрытий, в составе композиционных материалов и покрытий, наноструктурированных поликристаллов. Наноалмазы планируется применять в биологических исследованиях и медицинских целях. В связи с этим возникает проблема изучения свойств УДА и наблюдения взаимодействия УДА с различными структурами, в том числе биологическими объектами.

В предыдущем докладе («УДА: их свойства и применение») был проведён обзор физических и химических свойств УДА, а также областей их применения. В результате было выявлено, что УДА обладают необыкновенными физическими и химическими свойствами, которые в основном определяются различными поверхностными функциональными группами, структура и строение которых определяются способом получения и последующей очистки УДА.

Итак, напомним основные свойства УДА:

1) Сферическая форма частиц УДА;

2) Склонность частиц УДА к агрегации в водных растворах;

3) Наличие большого количества функциональных поверхностных групп;

4) Образуют различные структуры:

• Первичные частицы 2 - 10 нм;

• Фрактальные структуры 30 - 40 нм;

• Агрегаты 100 – 200.

Оптические методы исследования характеризуются высокой чувствительностью и возможностью реализации в режиме бесконтактного, неразрушающего контроля. Поэтому применение оптических методов для изучения свойств УДА и взаимодействующих с ними структур является очень перспективным. В связи с этим целью данной работы было получить и изучить спектры оптической плотности и спектры флуоресценции суспензий УДА, а так же изучить возможности следующих оптических методов – динамического рассеяния света и когерентной фазовой микроскопии (КМФ) – для характеристики УДА с различным размером частиц. Были поставлены следующие задачи: изучение теоретических основ выбранных методов исследования, практическое применение динамического рассеяния света для определения размера частиц УДА и их агрегатов в водной суспензии, применение метода КМФ для оценки показателя преломления УДА. Изучение свойств УДА в дальнейшем даст возможность использовать оптические методы для диагностики взаимодействия УДА с живыми клетками, исследовать процессы агрегатообразования в водных системах и расширить область практического применения наночастиц.

Спектры оптической плотности

Спектры оптической плотности (спектры поглощения) - это спектры, получающиеся при прохождении излучения с непрерывным спектром в веществе и его ослаблении за счет поглощения. Они возникают при квантовых переходах с нижних (невозбужденных) электронных уровней энергии на верхние (возбужденные), как показано на рис.1. Спектр поглощения – это зависимость величины, характеризующей поглощательную способность вещества, от длины волны λ или волнового числа ν падающего света.

Основным законом, описывающим поглощение света, является закон Бугера—Ламберта—Бера. Данный закон описывает ослабление монохроматического света при поглощении его слоем вещества.

Пусть монохроматический свет с длиной волны λ проходит через слой поглощающего вещества толщиной dL (Рис.1.). Изменение интенсивности света dI в процессе поглощения определяется соотношением:

(1)

где I - интенсивность света, падающего нормально на границу слоя dL, k(λ) - коэффициент поглощения.

Рис.1. Поглощение света веществом

При интегрировании соотношения (1) получаем следующее выражение:

(2)

Выражение (2) получило название закон Бугера—Ламберта—Бера, где I₀ - интенсивность падающего на образец света, I_пр - значение интенсивности после прохождения слоя толщины L.

Основными величинами, характеризующими спектр поглощения, являются коэффициент пропускания T и коэффициент пропускания D.

Коэффициент пропускания T – это отношение интенсивности света, прошедшего через слой толщины L, к величине интенсивности падающего света, который обычно выражается в процентах. Из закона Бугера–Ламберта–Бера следует, что пропускание вещества Т не зависит от интенсивности падающего света, но является функцией длины волны. Величина Т может принимать значения от 0% (свет полностью поглощается веществом) до 100% (полностью прозрачная среда для длины волны измерения). Величина Т, отнесенная к толщине слоя 1 см, называется коэффициентом пропускания.

Для практических целей обычно используют, величину оптической плотности D слоя толщины L, которая определяется следующим образом:

(3)

Величина D является безразмерной.

Спектры люминесценции

Люминесценция — это явление излучения света, широко распространенное наряду с тепловым излучением и различными видами рассеяния света. Для возбуждения люминесценции необходимо передать частицам вещества энергию тем или иным способом, чтобы перевести их из основного электронного состояния в возбужденное. При обратном переходе частиц вещества (атомов, молекул, ионов) из возбужденного электронного состояния в основное наблюдается свечение, которое и называется люминесценцией.

Рассмотрим подробнее определение люминесценции, различные механизмы испускания света и виды люминесценции по способу возбуждения.

Рис.2 Диаграмма энергетических уровней молеклы (диаграмма Яблонского)

Люминесценция - это свечение, возникающее в результате электронного перехода в атомах, молекулах, ионах и других более сложных комплексах при их возвращении из возбужденного состояния в основное. Следующие два свойства позволяют отличать люминесценцию от других видов излучения. Во-первых, люминесценция представляет собой избыток над тепловым излучением. А во-вторых, в отличие от различных видов рассеяния света люминесценция характеризуется временем свечения, значительно превышающим период колебаний световой волны и составляющим от пикосекунд (10^-12 с) до нескольких суток.

В результате поглощения веществом энергии возбуждения, составляющие его частицы (атомы, молекулы, ионы) переходят из основного электронного в возбужденное состояние. Обычно воз­бужденные частицы очень быстро, за время порядка 10^-8—10^-9 с, теря­ют свою избыточную энергию и возвращаются в основное не­возбужденное состояние. Такой переход может осуществляться либо с испусканием свечения, которое назы­вается люминесценцией, либо без испускания квантов света (фотонов) - путем передачи энергии возбуждения окружаю­щей среде в виде тепла.

Излучательный переход из возбужденного состояния в основное может происходить самопроизвольно (спонтанная люминесценция) или под действием внешнего электромагнитного излучения (вынужденная люминесценция).

В зависимости от способа возбуждения люминесценция делится на фотолюминесценцию, катодолюминесценцию, рентгенолюминесценцию, радиолюми­несценцию, хемилюминесценцию, биолюминесценцию, электролюминесцен­цию и триболюминесценцию. В дальнейшем мы будем рассматривать только фотолюминесценцию.

Фотолюминесценция делится на два типа - флуоресценцию и фосфоресценцию (Рис.2). Флуоресценция возникает при переходах между уровнями одинаковой мультиплетности (при переходах с первого S₁, или реже – второго возбужденного синглетного уровня S₂ на основной синглетный уровень S₀), а фосфоресценция – между уровнями различной мультиплетности (при переходах с первого триплетного T₁ на основной синглетный уровень S₀).

При поглощении фотона возбуждающего света энергии hν_A молекула переходит из основного состояния S₀ в возбужденное состояние на более высокий энергетический уровень той же мультиплетности S_n. C высших уровней S_n (n > 1) в результате внутренней конверсии (переходов между состояниями с одинаковой мультиплетностью) молекула переходит на первый возбужденный синглетный уровень S₁, откуда может перейти в основное состояние S₀ либо без испускания фотона (безызлучательно) или с испусканием фотона люминесценции hν_F. В результате интеркомбинационной конверсии (переходов между состояниями с разной мультиплетностью) молекула может перейти в возбужденное триплетное состояние, откуда возможен безызлучательный переход в основное синглетное состояние или с испусканием фотона фосфоресценции hν_P.

Флуоресценция и фосфоресценция на практике различаются временными характеристиками. Типичные времена для флуоресценции – порядка наносекунд (10^-9 с), поэтому наблюдатель воспринимает флуоресценцию как практически мгновенный отклик на возбуждение светом. Фосфоресценция же «разгорается» через некоторое время как послесвечение. Типичные времена фосфоресценции – от миллисекунд до секунд.

В люминесцентной спектроскопии, как и в спектроскопии поглощения, спектры изображают графически таким образом, что по оси абсцисс откладывается либо длина волны λ, либо волновое чи­сло ν.

Спектр флуоресценции — это зависимость интенсивности флуоресценции от длины волны λ или волнового числа ν.