Tìm hiểu sự tương tác của sóng điện từ với vật chất bằng việc đo phổ hấp thụ (KL02429)

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đích Khảo sát máy phân tích quang phổSpectrôcoloriMeter, từ đó vận dụng các định luật của sự hấp thụ bức xạ điện từ và sử dụng phương pháp nghi

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục đích

Khảo sát máy phân tích quang phổ(SpectrôcoloriMeter), từ đó vận dụng các định luật của sự hấp thụ bức xạ điện từ và sử dụng phương pháp nghiên cứu phân tích quang học để xác định dải hấp thụ của dung dịch NaCl, một số màng mỏng kết quả nghiên cứu ở trên đưa ra khả kiến về chọn nguồn bức xạ điện từ, dung dịch nghiên cứu với nguồn sáng đơn sắc mà ta dùng để thu được kết quả tốt nhất

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định rõ nội dung kiến thức liên quan từ đó đề xuất phương pháp nghiên cứu phù hợp đó là:

- Cách chọn dụng cụ thí nghiệm

- Cách chọn mẫu thí nghiệm

- Thực hiện và xác định kết quả thí nghiệm

Qua phần thực nghiệm làm rõ hiện tượng hấp thụ ánh sáng từ đó xác định dải phổ hấp thụ của dung dịch NaCl, một số màng mỏng

3 Đối tượng nghiên cứu

-Dung dịch NaCl

-Một số màng mỏng(Au, Pt, TIO2,TIO3)

4 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu hiện tượng hấp thụ

-Đo phổ truyền qua một số màng mỏng

5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Khảo sát cấu trúc của máy quang phổ, thấy rõ được sự tương tác của sóng điện từ với vật chất thông qua phổ hấp thụ và phổ truyền qua một số mẫu, rèn luyện các thao tác thực nghiệm

6 Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Nghiên cứu tài liệu để xây dựng cơ sở lí luận

- Làm thí nghiệm để tìm ra kết quả

NộI dung

chương 1 Cỏc phương phỏp phõn tớch quang học 1.1 Tương tỏc của bức xạ điện từ với vật chất

Để nhận biết được cỏc dấu hiệu của cỏc phần tử hoỏ học, trước tiờn ta hóy xột sự tương tỏc của bức xạ với cỏc phần tử hoỏ học này

Trong giới hạn bài nghiờn cứu khoa học này ta chỉ nghiờn cứu hiện tượng hấp thụ, hiện tượng này như sau:

Nếu một chựm bức xạ điện từ chiếu đến mẫu hoỏ học thỡ cú thể mẫu hoỏ học sẽ hấp thụ một phần nào đú của bức xạ

Hiện tượng này được biểu diễn trờn hỡnh 1.a

d Mẫu hóa học vớ i nồng độ C

E2

E1E

Mỗi một tần số (1, 2, 3, ) chứa trong chựm bức xạ cú năng lượng riờng là (h1, h2, h3, ) Nếu hiệu giữa cỏc mức năng lượng trong sự chuyển năng lượng của phõn tử đỳng bằng một trong cỏc giỏ trị năng lượng trờn thỡ mẫu sẽ hấp thụ bức xạ ở tần số tương ứng với năng lượng đú

Trong hỡnh 1.b ta đưa ra cỏc mức năng lượng E1, E2 Trước khi tương tỏc phần tử (phần tử, nguyờn tử hay ion) tồn tại ở trạng thỏi cơ bản E1 sau khi

tương tác với bức xạ nó bị kích thích và chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn E2 Trong sự kích thích này phân tử hấp thụ một năng lượng

xạ, ở đây công suất chung của bức xạ sẽ bị giảm đi chỉ ở tần số hấp thụ 1

Như vậy sau khi có sự tương tác của chùm bức xạ với các phần tử hấp thụ của mẫu chùm bức xạ sẽ đi ra khỏi mẫu với công suất bị giảm đi còn lại là

P Kết quả này cho khả năng nhận biết các thành phần của mẫu theo phổ hấp thụ của chúng, tức là trên cơ sở các tần số bức xạ đã bị hấp thụ Ngoài ra sự giảm đi công suất bức xạ của chùm sáng ở tần số này lại liên hệ với số lượng của phần tử hoá học hấp thụ có trong mẫu Đây là cơ sở của phép phân tích định lượng

1.2 Xem xét bức xạ điện từ theo quan điểm hoá quang phổ

Sự tương tác của bức xạ với các phần tử của hoá học là cơ sở của phép phân tích quang phổ Vì vậy, ta phải tìm hiểu một số đại lượng đặc trưng quan trọng của bức xạ điện từ Để hiểu được điều này chúng ta xét sóng điện từ

E

H

v

Hình 2 Có biểu diễn một sóng điện từ dao động hình sin truyền trong

không gian theo một hướng nào đó Sóng gồm thành phần điện E

và thành phần từ H

vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng v

được truyền trong không gian với vận tốc không đổi bằng 3.108(m/s) Giả thiết sóng

có tần số không đổi là  Khoảng cách giữa hai cực đại gần nhau nhất hoặc hai cực tiểu gần nhau nhất được gọi là bước sóng (độ dài sóng )  là khoảng cách mà sóng đã truyền trong một chu kì dao động của nó Vì vậy ta

có thể tính bước sóng  theo công thức sau:

1 cc



 

  (2) Đơn vị của bước sóng là mét (m), micrômet (m), nanomet (nm), amstrong ( 0

Đối với phép phân tích quang phổ còn có một số đặc tính của sóng điện

từ quan trọng nữa Một trong số đó là độ đơn sắc xác nhận về tần số quang phổ của sóng

Một tính chất quan trọng khác của sóng điện từ là sự phân cực của nó, các sóng điện từ không phân cực có hướng ngẫu nhiên của các thành phần điện và từ theo hướng truyền sóng, trên hình 2 Điều này có nghĩa là các véc

tơ E

và H

vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng Công suất bức xạ (P) tỉ lệ thuận với bình phương biên độ sóng Trong hoá quang phổ nó là đại lượng quan trọng vì nó là số năng lượng được chuyển vào dạng bức xạ điện từ trong một đơn vị thời gian Nếu năng lượng photon là E thì công suất bức xạ có thể biểu diễn nhờ biểu thức: pE. h .  (3)

: chùm photon (lượng tử) trong một đơn vị thời gian công suất của chùm bức xạ điện từ đôi khi còn được gọi là cường độ

1.3 Bản chất của phương pháp phân tích quang học

Các phương pháp phân tích quang học dùng trong hoá học dựa trên việc đo tính chất quang học của chất đem phân tích Có nhiều phương pháp phân tích quang học, tuy nhiên trong giới hạn bài này ta sử dụng phương pháp trắc quang phân tử Phương pháp trắc quang phân tử dựa trên phép đo lượng ánh sáng do dung dịch hấp thụ nếu dung dịch là đồng nhất, hấp thụ ánh sáng

Ta dùng phương pháp trắc quang vùng khả biến (vùng nhìn thấy)

a: phổ nền - b: phổ truyền qua của dung dịch

1 Theo dạng phổ ta có thể nhận biết một cách định tính các phần tử hoá học

2 Theo giá trị f  ở các tần số đã chọn có thể xác định hàm lượng các phần tử hoá học

Ta đã biết tần số bức xạ điện từ của photon (lượng tử) có liên quan tới năng lượng của nó theo phương trình Plăng

Theo tiên đề của Bohn thì để gây ra sự chuyển như trên thì năng lượng của photon cần phải bằng hiệu giữa các trạng thái năng lượng tương ứng với

Như vậy có thể nghiên cứu các phần tử hoá học nếu dùng bức xạ điện

từ làm phương tiện, do tần số của bức xạ điện từ có liên quan đến sự thay đổi năng lượng sẽ chỉ ra sự chuyển theo công thức (5)

Các trạng thái năng lượng của phần tử hoá học khác nhau là khác nhau

Do vậy có thể nói rằng sự thay đổi năng lượng liên quan đến các sự chuyển cũng sẽ khác nhau Điều này có nghĩa là phổ của mỗi chất là rất đặc trưng và

có thể dùng phổ để nhận biết chất đó

Thực tế thì phổ phản ánh sơ đồ của sự chuyển xảy ra giữa các trạng thái năng lượng của các phần tử hoá học Số lượng chuyển trong một chu kì xác định của thời gian có liên quan đến số lượng các phần tử hoá học tham gia sự chuyển này Như vậy nếu tham số đo được f  trong phổ liên quan đến số lượng các sự chuyển thì có thể dùng phổ để xác định nồng độ các phần tử có mặt

1.5 Các phép đo hoá quang phổ

Để xem xét một chất bị hấp thụ điện từ như thế nào ta đo phổ hấp thụ của chúng Chúng ta phân biệt các chất nhờ các phổ hấp thụ ánh sáng của chúng ở các bước sóng hay các tần số khác nhau Để có được phổ hấp thụ thì

ta cần có thiết bị để tiến hành các phép đo Sơ đồ của một trong các thiết bị cần thiết đó như sau:

1

Hình 4: sơ đồ để xác định định tính và định lượng bằng phép đo quang phổ

1: Nguồn sáng 2: Kính lọc sắc TK : thấu kính hội tụ D: khe hẹp 3: mẫu

Hình 5: Phổ hấp thụ lí tưởng của kính lọc sắc

Để chiếu sáng mẫu có thể dùng đèn sợi đốt vonfram, tuy nhiên đèn này phát ra nguồn phổ liên tục chúng ta cần phải tách ra một vùng xác định phổ phát xạ của nó để nghiên cứu hấp thụ của mẫu ở các bước sóng đã chọn Để phục vụ cho mục đích này ta dùng kính lọc sắc bằng thuỷ tinh

Khi làm việc trên dụng cụ thí nghiệm này ta phải đặt lần lượt các dung dịch đã biết và chưa biết vào curvet Chiếu sáng chúng bằng ánh sáng sau khi

đi qua kính lọc sắc khác nhau và quan sát bằng mắt ánh sáng đi qua các dung dịch có thể nhận biết mẫu chưa biết theo mẫu đã biết Trên cơ sở ánh sáng đi qua kính lọc ánh sáng và sau đó đi qua mẫu sẽ đúng bằng ánh sáng đi qua mẫu đã biết Ta có được điều này do hai chất có thành phần hoá học như nhau

sẽ có tính chất quang phổ giống nhau

Để xác định nồng độ các chất cần nhận biết trong dung dịch mầu phải

có các dung dịch chứa các nồng độ đã biết khác nhau của các chất cần xác định

Phương pháp đó tiến hành như sau: Đặt các dung dịch chuẩn khác nhau vào dụng cụ đo và tiến hành trực chuẩn để ánh sáng đi qua mẫu chưa biết vào từng mẫu chuẩn Muốn vậy trước tiên cần chọn kính lọc sắc cho các tần số và



1.0

(nm)



mẫu hấp thụ mạnh nhất, muốn vậy ta đặt kính lọc sắc khác nhau vào dụng cụ

đo và tiến hành với từng mẫu Kính lọc sắc nào cho sự khác nhau lớn nhất trong bức xạ quan sát được khi có và không có mẫu sẽ là kính lọc sắc tối ưu

Chúng ta phải chú ý các điểm sau đây:

1 Các cấu phần của bất kì một dụng cụ đo hoá quang phổ nào cũng được xác định bằng vùng phổ (tần số) làm việc vì vậy ta phải chọn nguồn sáng thích hợp

2 Trong một phép phân tích quang phổ cần phải có sự chuẩn hoá thực nghiệm có nghĩa là để so sánh với mẫu chưa biết hay để chuẩn hoá hệ đo phải

có các mẫu chuẩn đã biết

3 Chất lượng các phép đo hoá quang phổ ở một mức độ đáng kể phụ thuộc vào chất lượng và các khả năng của các máy đo đã sử dụng Dụng cụ dùng trong phân tích ở trên có hạn chế là sử dụng mắt quan sát màu Do vậy, để tránh hạn chế trên ta dùng máy đo có dạng chung của một máy đo dùng trong

phép hoá quang phổ theo sơ đồ hình 6

Trong sơ đồ, nguyên tắc hoạt động chung của một máy hoá quang phổ thì cấu trúc vào được dùng để chuyển thông báo hoá học của mẫu thành thông báo về bức xạ điện từ (dưới dạng thông báo điện từ)

Cấu trúc này gồm nguồn sáng (các đèn) và các buồng đựng mẫu Trong cấu trúc này bức xạ từ nguồn sáng chiếu qua mẫu ở đấy các đặc tính tần số bị thay đổi phụ thuộc vào thành phần hoá học của mẫu Như vậy, bức xạ đi qua mang thông báo về mẫu hoá học những thông báo này được ghi ở quang phổ

Để có thể ghi lại hay tiếp nhận thông báo hoá học ghi ở dạng bức xạ cần có một cấu trúc Đêtectơ Chức năng của Đêtectơ là nhận được tính hiệu điện đo được tỉ lệ thuận với một tính chất nào đó thường là công suất của bức

xạ chiếu đến Đêtectơ Đêtectơ biến thông báo có trong bức xạ điện từ thành một dạng khác thường là dạng điện mà ngươì quan sát hiểu được như độ lệch

của kim của dụng cụ đo cho đến các cột số từ cấu trúc của máy điện tử: Sơ đồ của máy đo hoá quang phổ để đo phổ hấp thụ trong các vùng phổ UV và VIS H.6

1: Nguồn bức xạ liên tục 4: Đêtectơ quang

2: Máy tạo ánh sáng đơn sắc quang học 5: Tín hiệu điện

3: Mẫu hoá học

Để chọn tần số của bức xạ chiếu lên mẫu người ta dùng cấu trúc gọi là máy tạo ánh sáng đơn sắc quang học, nó có chức năng như kính lọc ánh sáng bằng thuỷ tinh chỉ có khác là nó cho phép tách ra một vùng tần số hẹp hơn và thay đổi các tần số đi qua nó Từ máy tạo ánh sáng đơn sắc bức xạ tách ra được chiếu lên mẫu, ở đây công suất bức xạ (P0) bị thay đổi phụ thuộc vào bản chất hoá học của mẫu Một phần công suất bức xạ đi qua mẫu P nhờ Đêtectơ quang mà được chuyển thành tín hiệu điện tỉ lệ, thường ở dạng hiệu điện thế hay cường độ dòng điện

Chương 2: Định luật cơ bản của hoá quang phổ

Tất cả các phương pháp phân tích đo quang đều dựa trên các định luật

cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ Các định luật cơ bản này là:

1 Định luât Buge - LamBe

2 Định luật Beer

3 Định luật hợp nhất Buge - LamBe - Beer

4 Định luật cộng tính

5 Định luật huỳnh quang định lượng

Sau đây ta xét một số định luật áp dụng cho phần thực nghiệm

2.1 Định luật Buge - LamBe

Giả thiết ta chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ P0 đi qua một dung dịch đồng nhất có bề dày l

H.7

Chùm sáng đơn sắc P0 chiếu quang dung dịch màu chia làm các phần Một phần bị hấp thụ bởi dung dịch màu Pa, một phần bị phản xạ bởi dung môi Pr1 và bởi thành Curvet Pr2, một phần đi ra khỏi dung dịch P1

Theo định luật bảo toàn vật chất ta có:

P0 = Pa + Pr1 + Pr2 + P1 (6) Trong khi tiến hành thí nghiệm người ta thường dùng một cặp Curvet giống nhau và dung môi giống nhau Trong một Curvet đựng dung dịch so sánh, 2 Curvet có chất liệu và kích thước như nhau lên phần phản xạ bởi thành Curvet cũng giống nhau như vậy, các đại lượng giống nhau đều bị triệt tiêu tức là các đại lượng Pr1 và Pr2 trong công thức sẽ bị loại trừ chỉ cần lưu ý

2 số hạng Pa và P1 Giả sử lớp dung dịch đồng nhất có bề dày l (cm) được chia làm nhiều lớp mỏng vô tận dl, chùm sáng đơn sắc có bước sóng  khi chiếu vào lớp mỏng vô tận đi qua lớp này thì cường độ chùm sáng giảm đi một lượng là dp do sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu Vậy ta có

dpdl

p p 10 (11), ở đây  2.303k

0 l

klp

0 l

p

p

k: Hệ số hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu

Từ biểu thức (13) ta suy ra ý nghĩa vật lý của đại lượng k như sau:

kl 0

kl l

Năm 1792 Buge đã thiết lập sự phụ thuộc giữa sự giảm cường độ chùm sáng đơn sắc hướng song song với bề dày của lớp dung dịch hấp thụ Năm

1760 Lambe đã xác nhận sự phụ thuộc này và đã thiết lập định luật thứ nhất của sự hấp thụ ánh sáng

Nội dung của định luật Buge - Lambe phát biểu như sau:

“Lượng tương đối của chùm sáng bị hấp thụ bởi môi trường mà nó đi qua không phụ thuộc vào cường độ của tia tới Mỗi một lớp bề dày như nhau hấp thụ một phần dòng ánh sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau”

Biểu thức (14) được biểu diễn bằng đồ thị ở h.8

1 2 3 4 l (cm)

P l

50

25 12,5 6,25

Ta thấy A2= 2A1; A3 = 3A1; A4 = 4A1

Như vậy ta thấy mỗi lớp bề dày như nhau hấp thụ một phần chùm sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau

Định luật nàycó thể phát biểu theo cách thứ hai:

“Độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu (đại lượng mật độ quang A)

tỷ lệ bậc nhất với nồng độ của dung dịch chất hấp thụ ánh sáng”

Biểu thức của định luật Beer [theo 4]:

0 l

p

A lg

p

 = k1.c (18) k1: Hệ số tỷ lệ

c: Nồng độ của hợp chất màu

2.3 Định luật hợp nhất Buge - Lambe - Beer

2.3.1 Định luật

“Khi đi qua hệ (dung dịch màu) một chùm photon đơn sắc thì mức độ hấp thụ của dung dịch màu tỷ lệ thuận với công suất chùm photon và nồng độ các phần tử hấp thụ”

Định luật của mô tả bằng biểu thức toán học nhờ phương trình vi phân sau:

dpkcp

P - là công suất bức xạ đi qua môi trường hấp thụ ở l=b

Lấy tích phân phương trình (19) từ P0 đến P theo bề dày của cả lớp l của dung dịch hấp thụ ta được

0 0

P dlnPKc dl bP

Từ phương trình (23) ta thấy rằng đo công suất tương đối của chùm bức

xạ khi có và không có các phần tử hấp thụ trên đường đi của chùm sáng ta có thể xác định được nồng độ ở đây không cần phải đo các giá trị tuyệt đối của công suất và điều đó làm cho phổ trắc quang trở nên đơn giản hơn Ta cần phải biết chính xác bề dày lớp mẫu hấp thụ, vật liệu, kích thước và dạng của curvet thay đổi trong một phạm vi rộng phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của mẫu và vào vùng phổ trên thực tế phương trình (23) thường được viết ở dạng lgP0 abc

Nếu thông số b (bề dày của lớp màu hấp thụ) được biểu diễn bằng cm Còn nồng độ C là mol

l dung dịch thì hằng số a được gọi là hằng số hấp thụ phân

tử gam có đơn vị là: l mol 1.cm1

Phương trình (24) được viết dưới dạng sau:

tỷ số

0

P

P là độ truyền quang

2.3.2 Độ lệch khỏi định luật Buge - LamBe - Beer

Định luật hợp nhất Buge - LamBe - Beer chỉ liên quan tới tham số nồng

độ C Việc ứng dụng định luật Buge - LamBe - Beer có thể được kiểm tra đối với bất kỳ hệ đã cho nào nếu đo độ hấp thụ đối với mỗi kim loại mẫu có nồng

độ đã biết của chất hấp thụ Nếu sự phụ thuộc đồ thị thực nghiệm của mật độ quang A vào nồng độ C là đường thẳng đi qua gốc tọa độ thì định luật Buge - LamBe - Beer tuân theo Tuy nhiên thường thì sự phụ thuộc đồ thị các kết quả

đo trong một khoảng rộng nồng độ chất hấp thụ có dạng vẽ ở hình 9:

A

Hình 9: Sự phụ thuộc mật độ quang A vào nồng độ C của chất hấp thụ

Từ hình vẽ ta thấy định luật Buge - LamBe - Beer chỉ tuân theo đến nồng độ C1 Nếu theo dãy các mẫu chứa các nồng độ đã biết của các phần tử hấp thụ ta nhận thấy được đồ thị chuẩn, thì cũng có thể xác định nồng độ chất hấp thụ trong mẫu chưa biết

Sự lệch khỏi định luật Beer thường có dạng:

- Sự lệch thực

- Sự lệch hóa học

- Sự lệch do dụng cụ

*) Sự lệch thực:

Sự lệch thực xuất hiện do có sự thay đổi chỉ số khúc xạ của môi trường diễn ra khi có sự thay đổi các cấu tử của nó Định luật Beer đòi hỏi không có

sự thay đổi chỉ số khúc xạ của môi trường hấp thụ Bất kỳ sự lệch nào không

có đòi hỏi này cũng đều dẫn đến sự không chính xác các kết quả thực nghiệm Tuy nhiên, thường thì các sai số gây ra do sự thay đổi chỉ số khúc xạ là tối thiểu, sự lệch thực khỏi định luật Beer là có thể bỏ qua

*) Sự lệch hóa học

Các sự lệch hóa học khỏi định luật Beer được gây ra do sự chuyển dịch cân bằng hóa học của các phân tử khác B để tạo ra chất C và D

A + B = C + D Bất kỳ sự thay đổi nào có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng đều làm thay đổi nồng độ chất A Tuy nhiên, một số thay đổi nồng độ ban đầu của các phẩn tử A có thể không dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ thuận của nồng độ cuối cùng các phần tử A có khả năng hấp thụ bức xạ Do trạng thái cân bằng còn phụ thuộc vào các phần tử khác Để tránh đựơc điều đó cần phải tạo ra các điều kiện sao cho sự thay đổi nồng độ chất A sẽ không ảnh hưởng đáng kể lên trạng thái cân bằng tức là có thể làm cho nồng độ chất C và D đủ lớn để giữ được trạng thái cân bằng chuyển về phía tạo ra chất A

* Sự lệch do dụng cụ

Việc dùng bức xạ không đơn sắc thường là nguyên nhân chủ yếu của sự lệch dụng cụ khỏi định luật Beer Định luật chỉ đúng khi hấp thụ bức xạ đơn sắc Trong thực tế, phần lớn các vùng phổ khó hoàn toàn đơn sắc

Các tính toán dựa trên định luật Buge - Lambe - Beer được dùng trong phương pháp quang phổ thực nghiệm Tuy nhiên, như đã lưu ý ở trên, thường

có thể tiến hành các bước xác định, định lượng theo các đồ thị chuẩn Để cho phép phân tích có hiệu quả thì các yêu cầu cơ bản là làm sao cho các tính chất hấp thụ bức xạ của hệ hóa học có thể đo được và có độ lặp tốt khi đo