MÁY QUANG PHỔ - CHƯƠNG 2 NGUỒN SÁNG

Đèn thủy ngân• a Đặc điểm • Cho bức xạ đơn sắc • Cường độ khá mạnh trong vùng khả kiến và tử ngoại • Phổ bức xạ thay đổi theo áp suất  Đèn Hg áp suất thấp: 0.01-1mmHg  Đèn Hg áp suất c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ

NHIÊN KHOA VẬT LÝ

BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

Trần Thị Mỹ Hạnh Nguyễn Thanh Tú

GVHD

GVHD: : TS Lê Vũ Tuấn Hùng

Nguồn sáng cung cấp điều kiện để kích thích phân tử, nguyên

tử các chất bức xạ hoặc hấp thụ, tán xạ, huỳnh quang…

Chương II: Nguồn sáng

Nguồn sáng

Dùng trong quang

phổ phát xạ

Dùng trong quang phổ hấp thụ

Đèn Xenon…

Các nguồn sáng

laser

Nội dung chương 2

I Nguồn sáng dùng trong quang phổ phát xạ

Nhiệt độ các vùng của

ngọn đèn khí

b) Thông số của ngọn lửa với

một vài thành phần nhiên liệu C) Ưu điểm:

dễ sử dụng

 giá thành thấpd) Nhược điểm:

Khó điều chỉnh năng lượng của ngọn lửa

Nhiệt độ không cao nên chỉ dùng kích thích kim loại kiềm

Khó xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu do

có các sản phẩm trung gian

a Cấu tạo

• Một ống thạch anh quấn quanh bởi cuộn cảm ứng

• Cuộn cảm ứng nối với máy phát điện cao tần

• Luồng khí Argon thổi vào bên trong ống thạch anh tạo nên plasma và để làm nguội ống thạch anh

2 Nguồn plasma cao tần

3 Hồ quang

a) Đặc điểm

• Hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực kim

loại có hiệu điện thế cỡ 80V

• Nhiệt độ hồ quang khoảng 3500-80000C

• Nhiệt độ hồ quang phụ thuộc hiệu điện thế và mật độ dòng điện giữa hai điện cực Để có nhiệt

độ cao phải tăng hiệu điện thế

• Mẫu có thể là dạng dung dịch hoặc là bột nhồi vào trong lỗ điện cực

4 Tia điện

• Dùng để tạo nhiệt độ

plasma cao mà không cần

công suất lớn

• Điện được nạp vào tụ điện

sau đó phóng qua hai điện

Nguồn sáng Vùng bức xạ

Đèn wolfram 320-2.500nm

Thanh bán dẫn đốt nóng (SiC,Zirconi, Ytri ) 1000-40.000nm Đèn Hg áp suất thấp 185 và 254nm Đèn Hg áp suất cao 573 và 546nm Đèn H2, D2 180-370nm

Một số nguồn sáng

II Nguồn sáng trong quang phổ hấp thụ,

huỳnh quang và tán xạ Raman

1 Đèn Wolfram

a) Đặc điểm

• Vùng phổ rộng từ 320-2.500nm , liên tục từ khả kiến đến

tử ngoại

• Dây tóc thường đốt nóng bằng dòng điện

• Vỏ đèn bằng thủy tinh thì có thể truyền qua bức xạ từ 320-2500nm

• Vỏ đèn bằng thạch anh thì có thể truyền qua bức xạ từ 200-3000nm

b) Cấu tạo đèn sợi đốt wolfram

2 Nguồn bức xạ hồng ngoại liên tục

• Thanh bán dẫn SiC khi đốt nóng bằng

dòng điện cho phổ hồng ngoại liên tục từ

1000-4000nm

• Ngoài ra có thể thay SiC bằng thanh

Nemst thì phổ từ 400-20.000nm

• Bóng đèn Halogen Wolfram cũng dùng làm nguồn hồng ngoại mạnh

Một số loại đèn hồng ngoại Halogen wolfram

vỏ thạch anh

Chất khí Halogen có tác

dụng đưa wolfram bay

hơi bám trên thành đèn

trở về lại dây tóc nên

hiệu suất sẽ cao hơn

3 Đèn thủy ngân

• a) Đặc điểm

• Cho bức xạ đơn sắc

• Cường độ khá mạnh trong vùng khả kiến và tử ngoại

• Phổ bức xạ thay đổi theo áp suất

 Đèn Hg áp suất thấp: 0.01-1mmHg

 Đèn Hg áp suất cao: 1-3mmHg

 Đèn Hg áp suất siêu cao: vài chục atm

b) Đối với đèn Hg áp suất cao và siêu cao:

•Hai điện cực được đặt gần nhau và sử dụng phóng

điện hồ quang

•Anốt có kích thước to hơn để chịu được sự bắn phá

của điện tử

Đèn Hg áp suất cao

5 Đèn đơtêri D 2

Cấu tạo có gốm bao quanh

để ngăn sự phóng điện ngoài

6 Đèn xenon

• Có phổ bức xạ liên tục,

• phổ rất rộng từ 200 -2500nm

• Công suất cao từ 35 -10000W

• Đèn Xenon phóng điện hồ quang một chiều có nhiệt độ gần với

nhiệt độ mặt trời do đó thường dùng làm nguồn sáng giả mặt

trời

Đèn catốt rỗng a)Cấu tạo:

– Thân đèn và cửa sổ

– Các điện cực anốt và catốt

– Khí chứa trong đèn: He,

Ar, N 2…

Đèn catốt rỗng ( hollow cathode lamp)

 Khi đèn làm việc xảy ra sự

phóng điện giữa anốt và catốt, các phân tử khí bị ion hóa sẽ đập vào catốt làm các nguyên

tử kim loại catốt bứt ra thành nguyên tử tự do và phát xạ

 Cường độ sáng của đèn catốt cao

 Đèn catốt cho phổ vạch tương đối hẹp của kim loại làm catốt

 Để làm giảm độ mở rộng vạch phổ người ta làm lạnh catốt bằng nitơ lỏng

- Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát

micro giây đến femto giây

Liên tục hoặc xung

Laser khí He-Ne 632,8nm Liên tục

Laser khí Argon 454,5nm; 457,9nm;

465,8

Liên tục

Laser màu 300-1300nm Xung hoặc liên tục

Một số laser thông dụng

i.Mơi trường hoạt chất

Là mơi trường cĩ khả năng khuyếch đại ánh sáng đi qua nĩ

Hoạt chất là chất khí -> laser khí : N2 ,Ar…

Hoạt chất là chất lỏng -> laser lỏng: Pereridin Eu (BA)4 hịa tan trong dung mơi rượu ethol + methol

Hoạt chất là chất rắn -> laser rắn: tinh thể Yttrium

Aluminium Garnet, Cr3+ pha tạp vào tinh thể Al2O3…

Hoạt chất là bán dẫn -> laser bán dẫn: GaAs, PbS, PbTe…

a) Cấu tạo của máy phát Laser:

ii Buồng cộng hưởng

• Gồm hai gương phản xạ toàn phần

• Một gương có hệ số phản xạ lớn, một fgương thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài

• Vai trò: để bức xạ phản xạ qua lại nhiều lần và khuếch đại lên

• Có thể thay gương bằng lăng kính hoặc cách tử

iii Bộ phận kích thích hay bơm

 Cung cấp năng lượng để tạo sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của môi trường họat chất và duy trì sự họat động

b)Nguyên tắc hoạt động của laser

 Hoạt động của laser chỉ xảy ra khi giữa hai mức nào đó

 Để năng lượng bơm dẫn đến có sự đảo lộn này

cần có 3 hoặc 4 mức tham gia quá trình tương tác

i Sơ đồ bơm 3 mức

• Nhờ bơm quang học nguyên tử chuyển từ mức 1 lên mức 3 Để tần

số ánh sáng bơm không quá đơn sắc thì chọn mức 3 có độ rộng lớn

• Khi đến mức 3 thì nguyên tử không ở lâu mà chuyển sang mức 2 gần đó ( mức siêu bền)

• Như vậy tạo được sự nghịch đảo ở hai mức 1 và 2

• Khi nguyên tử trở về mức 1 sẽ bức xạ ra laser

E 1 , N 1

E 2 , N 2

E 3 , N 3

ii Sơ đồ bơm 4 mức

• Hệ nguyên tử chuyển từ mức 1 lên mức 4, mức này có độ rộng lớn

• Tại mức 4 sẽ dịch chuyển không bức xạ xuống mức 3 ( mức siêu bền)

• Mức 2 gần mức 1 và có liên kết quang với mức 4, nên bức xạ từ mức 4 xuống mức 2 sẽ chuyển xuống ngay mức 1

• Như vậy tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy của mức 2 và 1

E 3 , N 3

E 4 , N 4

E 2 , N 2

• Laser Argon có công suất phát liên tục mạnh nhất ở vùng phổ khả

kiến và tử ngoại

• Laser Argon có hoạt chất là khí Ar+

• Mức trên của laser được tích lũy nhờ 2 lần va chạm với điện tử

– Va chạm của điện tử với Ar+ ở trạng thái cơ bản (1)

– Va chạm của điện tử với các ion

mức siêu bền(2)

– Dịch chuyển bức xạ từ các mức

trên về

c) Laser Argon

d) Laser nitơ

• Là nguồn sáng tử ngoại thông dụng

• Các mức laser được kích thích nhờ va chạm điện tử trong phóng điện khí

• Các laser nitơ hiện nay là laser phóng điện

ngang,

• Độ dài xung cỡ vài ns đến vài chục ns, có bức

xạ tử ngoại 337nm

Laser nitơ đơn giản

Sự dịch chuyển mức năng

lưọng trong laser nitơ

e) Laser Neodym

 Hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG_Y2Al2O12) cộng thêm 2-5% Neodym

 Có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

 Đây là loại laser cho ra bức xạ đều, dẫn nhiệt và chịu nhiệt tốt,độ bền cơ học cao thời gian phục vụ cao

 Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 10000Hz

1000-Sơ đồ cấu tạo của laser Nd_YAG

f) Laser màu

 Hoạt chất là các chất hữu cơ có đặc trưng là tổ hợp

vòng benzen, vòng pyridine, vòng azine

 Độ rộng vạch laser rất hẹp cỡ 0,1nm

 Sử dụng bơm quang học để tạo mật độ đảo lộn

 Hiện nay có tới 200 chất màu dùng làm hoạt chất và dải bước sóng của những chất màu năm trong miền 300-

1300nm Bằng cách chọn chất màu thích hợp ta có thể thay đổi liên tục bước sóng phát ra trong vùng này

Phụ lục: Cách tạo mẫu

CÁC LINH KIỆN QUANG HỌC

LĂNG KÍNH CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

CÁC BẢN BƯỚC SÓNG VÀ MÁY

BỔ CHÍNH ĐỘ PHÂN CỰC GIAO THOA KẾ FABRY- PEROT CÁCH TỬ NHIỄU XẠ

Chương II

Quan sát phổ qua lăng kính

1.Các loại lăng kính

Có 3 loại cơ bản : lk phản xạ , lk tán xạ , lk phân cực.

-Lăng kính phản xạ : Abbe – Koeing

Schmidt – Pechan Porro Abble

Dove Amici roof

Lăng kính phân cực : Nicol

Wollaston Rochon Glan – Thomson Glan – Taylor

Lăng kính tán xạ : Pellin – Proca

Amici Tam giác

Lk Dove không làm đổi hướng chùm sáng nhưng làm đảo ngược chiều của ảnh.

Lk Penta làm lệch tia

sáng đúng 90 0

Lk đảo hướng

(Retroreflector) phản xạ

ngược lại theo hướng tới của mọi tia sáng đến.

Lk Littrow (30 0 60 0 90 0 ) dùng làm gương sau của buồng cộng hưởng laser

Lk Pellin – Broca

Có nguồn sáng và quan sát ở góc cố định, chỉ cần quay lăng kính thì sẽ có các bước sóng đơn sắc khác nhau ló theo phương vuông góc với phương tới (dùng trong kĩ thuật laser)

2 Độ tán sắc và năng suất phân giải

a.Độ tán sắc :

- Độ tán sắc góc : cho biết khả năng tán sắc góc của máy quang phổ.

Độ tán sắc góc chỉ cho biết sự khác nhau về góc lệch của 2 tia

sáng, nghĩa là tia sáng đó bị lệch đi một góc bao nhiêu độ sau khi phân li.

- Độ tán sắc vật liệu :

phụ thuộc vào bước sóng và tăng mạnh ở vùng phổ hấp thụ của vật liệu.

d D

d

δ λ

= Với là góc lệch cực tiểuδ

dn

dλ

b.Năng suất phân giải (R) : là khả năng phân giải của máy quang phổ.

là hiệu bước sóng của hai bức xạ đơn sắc còn có thể phân ly được.

là bước sóng trung bình của hai bức xạ

=

B.CÁCH TỬ

- Cấu tạo : gồm đế quang học với một số lớn các rãnh song song cách đều nhau.

- Có hai loại : cách tử truyền xạ và cách tử phản xạ Mỗi loại còn phân loại thành

hai loại là cách tử cong và cách tử phẳng.Ngoài ra còn nhiều loại cách tử khác:

cách tử bậc cao , cách tử bậc thấp, cách tử pha, cách tử xuyên tâm…

- Chu kỳ cách tử: là khoảng cách d giữa hai vạch liên tiếp của cách tử

- Phương trình cách tử :

Với m là số nguyên là bậc của cách tử ( có thể mang giá trị dương hoặc âm)

(sini+sin )r d m= λ

Cách tử bậc 0 ứng với i = - r

Góc i và r có thể mang dấu dương

hoặc âm tùy thuộc vào vị trí của nó

so với pháp tuyến.

Quan sát phổ qua cách tử

Sơ đồ máy đơn sắc cách tử điển hình

Máy quang phổ cách tử

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất cách tử vào bước sóng

- Tỉ phần ánh sáng nhiễu xạ trên mỗi bậc là hiệu suất của cách tử ở bậc đó

- Bước sóng chói là bước sóng được nhiễu xạ với hiệu suất cao nhất bởi cách tử.

Độ tán sắc và năng suất phân giải của cách tử

f m L

d r

=

Năng suất phân giải :

là hiệu bước sóng của hai bức xạ đơn sắc còn có thể phân ly được.

là bước sóng trung bình của hai bức xạ

δλ

λ λ

=

- Băng phổ truyền qua là độ rộng phổ đi ra khỏi máy đơn sắc khi chiếu sáng

khe bằng nguồn sáng có phổ liện tục.

- Giới hạn của băng phổ truyền qua được gọi là độ phân giải của thiết bị

C CÁC BẢN BƯỚC SÓNG VÀ MÁY BỔ CHÍNH ĐỘ

PHÂN CỰC

1.Các trạng thái phân cực của ánh sáng

Có 3 trạng thái phân cực cơ bản : phân cực thẳng , phân cực tròn , phân cực elip

Ánh sáng phân cực thẳng là ánh sáng phát ra từ laser Sóng phân cực thẳng

Sóng phân cực tròn

Sóng phân cực tròn trái

Sóng phân cực êlip

So sánh ba loại phân cực

Ánh sáng không phân cực như đèn Led , mặt trời , huỳnh quang….

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ LÀ GÌ ?

Phương pháp phân tích quang học dựa trên việc nghiên cứu

sự tương tác của bức xạ ánh sáng trên chất khảo sát hoặc sự hấp thụ các bức xạ ánh sáng dưới một tác động hóa lý nào đó.

MÁY QUANG PHỔ LÀ GÌ ?

Dụng cụ quang học dùng để phân tích chùm ánh sáng phức tạp thành những thành phần đơn sắc khác nhau (PHỔ)

Chương IV

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ

Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV–VIS)

Phổ phát xạ tia X Phổ nhiễu xạ tia X Phổ huỳnh quang tia X

Phổ cộng hưởng từ điện tử Phổ cộng hưởng từ proton Phổ phát xạ phân tử

MÁY QUANG PHỔ PHÁT XẠ

Nguyên lý hoạt

động :

Mẫu vật cần nghiên cứu khi được kính thích bằng ánh

sáng thích hợp sẽ bức xạ ở trạng thái phân tử hay nguyên

tử tự do Bức xạ này mang thông tin đặc trưng cho mẫu được phân tích bằng máy quang phổ phát xạ cho biết các thành phần đơn sắc và phân bố cường độ theo bước sóng.

Hệ trực chuẩn và Khe máy đầu vào

Cấu tạo cơ bản:

Hệ tán sắc

Hệ buồng tối và Khe máy đầu ra

Máy tính và phần mềm điều khiển + xử lý số liệu

Bộ phận phối hợp:

Hệ thống xử lý

mẫu tự động

Hệ thống chiếu sáng, lọc sáng

Hệ thu phổ

và khuếch đại tín hiệu

MÁY QUANG PHỔ PHÁT XẠ

Nguồn sáng

kích thích

Mẫu vật

Các thông số đặc trưng cơ

bản :

Độ tán sắc góc:

Sự biến thiên góc lệch giữa tia tới và tia ló qua

hệ tán sắc theo bước sóng của các thành phần

đơn sắc

Độ tán sắc dài:

Khoảng cách giữa 2 vạch phổ có bước sóng gần

nhau nhất trên mặt phẳng tiêu

Năng suất phân ly:

Khả năng tách vạch giữa 2 vạch phổ có bước

sóng gần nhau nhất

g

dD D

=

t

dl D

=

MÁY QUANG PHỔ PHÁT XẠ

Cấu tạo của máy quang phổ tùy thuộc vào các tính chất của phổ cần phân tích

Độ cao của khe máy lối vào thay đổi theo vùng phổ của ánh sáng tới

Độ rộng của khe máy lối vào thay đổi theo cường độ ánh sáng tới

Năng suất phân giải của máy thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào năng suất phân giải của hệ tán sắc và độ rộng của khe máy.

MÁY QUANG PHỔ PHÁT XẠ

Máy quang phổ đa kênh : cách tử đứng yên và lối ra

không dùng khe sáng mà dùng CCD (hoặc PDA) đặt ở mặt phẳng tiêu của buồng tối để chuyển tín hiệu quang đã phân tích thành tín hiệu điện

Máy quang phổ đơn kênh : chỉ có 1 khe máy lối ra và

cách tử được quay để từng thành phần đơn sắc sẽ lướt

qua khe ra ngoài và được thu nhận trên tế bào quang điện.

MÁY QUANG PHỔ PHÁT XẠ

Máy quang phổ cách tử kép : ghép nối tiếp hai hệ tán sắc với nhau  tăng năng suất phân li và độ tán sắc

MÁY QUANG PHỔ PHÁT XẠ

MÁY QUANG PHỔ HẤP THỤ

Dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xạ rọi vào dung dịch của chất nghiên cứu đặt trong một dung môi nhất định

Nếu I0 nhỏ và các hiện tượng phản xạ, tán xạ không đáng kể thì :

Định luật Lambert – Beer :

Khi chùm sáng có cường độ I0 truyền tới môi trường có bề dày d thì bị hấp thụ một phần nên cường đố ánh sáng ra khỏi môi trường là I < I0

Trong đó:

C là nồng độ của dùng dịch (mol/l hoặc %)

d là bề dày của lớp dung dịch (cm)

α là hệ số hấp thụ đặc trưng cho cấu tạo của chất tan trong dung dịch phụ thuộc bước sóng ánh sáng đơn sắc

Khi C = 1M và d = 1cm thì A = α dùng trong phân tích cấu trúc , tính chất quang phổ

Khi C = 1% và d = 1cm thì A = α được gọi là hệ số hấp thụ riêng dùng

trong phân tích kiểm nghiệm

MÁY QUANG PHỔ HẤP THỤ

Máy quang phổ 1 chùm tia phải đo 2 lần : 1 lần với mẫu chuẩn (chỉ chứa dung môi) và 1 lần với mẫu cần đo (chứa dung dịch

cần phân tích)  I0 trong 2 lần đo phải không đổi  kết quả

phân tích không chính xác

Máy quang phổ 2 chùm tia thì ánh sáng tới được tách làm 2 chùm : 1 đi qua mẫu chuẩn và 1 lần đi qua mẫu cần đo, sau đó cùng đi vào máy thu để so sánh cường độ  chỉ phải đo 1 lần

 kết quả phân tích chính xác và tính được ngay độ hấp thụ A

MÁY QUANG PHỔ HẤP THỤ

SƠ ĐỒMÁY QUANGPHỔ HẤP THỤNGUYÊN TỬMỘT CHÙMTIA VÀ HAICHÙM TIA

MÁY QUANG PHỔ HẤP THỤ

Sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng dao dộng của phân tử tương ứng với các bức xạ và hấp thụ nằm trong vùng hồng ngoại.

Dùng máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại để nghiên cứu cấu trúc dao dộng của các phân tử

 Môi trường làm việc phải khô, sạch (tốt nhất là chân không)

Máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại dùng hệ tán

sắc:

 Mẫu đo đặt trước hệ tán sắc

 Chùm sáng qua mẫu có tần số thấp

 Dùng 2 chùm tia để tránh tính không ổn định của nguồn

 Khe máy thường xuyên thay đổi độ rộng để giữ cường độ ánh sáng tới không đổi

• Những máy này bộ giao thoa (interformeter)

Michelson được dùng thay cho bộ tạo đơn sắc.

• Máy quang phổ FTIR được dùng chủ yếu phân tích định tính, định lượng hợp chất hữu cơ, cấu trúc hoá học của hợp chất vô cơ.

• Phân định được danh sách hợp chất chỉ cần 1 thay đổi nhỏ.

• Độ chính xác của phép phân tích cao hơn nhiều lần

so với những máy hồng ngoại trước.

MÁY QUANG PHỔ HẤP THỤ HỒNG

NGOẠI

Máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier :