Đề cương VLDC 2 (1)

Biên soạn: Vitamin Dược - Team học tập Tình Nguyện Dược VLĐC 2 | 3 Câu 3: Trình bày khái niệm quang lộ và ý nghĩa của quang lộ: đo bằng tích số giữa chiết suất n của môi trường đó với

ĐỀ CƯƠNG Vật Lý Đại Cương 2

Chương 1: Quang hình học

Câu 1: Trình bày hai định luật của Descartes và hiện tượng phản xạ toàn phần

Thực nghiệm xác nhận rằng, khi một tia sáng OI tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì tia sáng sẽ bị tách thành hai tia : Tia phản xạ IR1 và tia khúc xạ IR2

+ Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới ( mặt phẳng chứa

tia tới OI và pháp tuyến IN)

+ Góc tới bằng góc phản xạ: i1 = i’

1

+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

+ Với một cặp môi trường trong suốt nhất định tỷ số giữa

sin góc tới và sin góc khúc xạ là một tỉ số không đổi

𝑆𝑖𝑛 𝑖 1

𝑆𝑖𝑛 𝑖 2

= 𝑛2−1 = Const

gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi

trường 1

- Nếu n2-1 > 1 thì i1 > i2 , tia khúc xạ gập lại gần pháp tuyến và môi trường 2 được gọi là chiết quang

hơn môi trường 1

trường 1

Hai điều kiện để hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra là

- Ta có: n 1 Sin i1 = n2 Sin i2

Vì n1 > n2, nên i1 < i2, tức là góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ , khi tăng góc tới thì góc khúc xạ cũng tăng, nhưng luôn có i1 < i2 Khi góc khúc xạ i2= 900 thì góc tới đến một giá trị gọi là góc tới tới hạn (ig)

Khi đó thì toàn bộ tia sáng đi tới mặt phân cách hai môi trường sẽ phản xạ trở lại môi trường thư nhất Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần Lúc đó ta có:

n 1 Sin i g = n 2 Sin 90 0

i g = arcsin (𝑛2 ) = Sin -1 (𝑛2 )

Câu 2: Trình bày khái niệm chiết suất tỉ đối, chiết suất tuyệt đối và nêu ý nghĩa của việc đo chiết suất chất lỏng trong nghành dược

của môi trường 2 so với môi trường 1 được tính theo công thức:

n2-1 =𝒗𝟏𝒗𝟐

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỷ đối của môi trường đấy với chân không Nếu gọi v là vận tốc ánh sáng trong môi trường, c là vận tốc ánh sáng trong chân không và n là chiết suất tuyệt đối của môi trường thì căn cứ vào (1.3) ta có:

n = 𝒗𝒄

Mối liên hệ giữa chiết suất tuyệt đối của chúng ta có:

n2-1 =𝒗𝟏𝒗𝟐 = 𝒗

𝒏𝟏:𝒏𝟐𝒗 = 𝒏𝟐𝒏𝟏Nếu môi trường thứ nhất là không khí thì i1 ≈ 1 và n2-1 ≈ n2 Do đó có thể coi chiết suất tỷ đối của môi trường đó với không khí

Định tính, định lượng một chất Từ chiết suất của một dung dịch có thể biết được chất đó là chất gì

và nồng độ dung dịch đó

Biên soạn: Vitamin Dược - Team học tập Tình Nguyện Dược VLĐC 2 | 3

Câu 3: Trình bày khái niệm quang lộ và ý nghĩa của quang lộ:

đo bằng tích số giữa chiết suất n của môi trường đó với độ dài l của đoạn đường AB mà ánh sáng

đi được trong môi trường đó

Kí hiệu quang lộ bằng chữ L hay [AB], theo định nghĩa trên ta có:

𝑖=1

L= [AB] = n.l

L= [AB] = ∑𝑘 𝑛𝑖 𝐼𝑖

Nếu ánh sáng đi trong môi trường không đồng nhất ( chiết suất thay đổi liên tục từ điểm này đến

điểm khác), ta tưởng tượng chia đoạn đường AB ra thành những đoạn nguyên tố dl, sao cho chiết suất n của môi trường trong đoạn đường dl này xem như không đổi Khi đó theo biểu thức quang lộ nguyên tố dL trên đoạn đường dl của ánh sáng bằng:

dL= n.dl

Vậy quang lộ trên cả đoạn đường AB sẽ là:

Do đó : L = c

Quang lộ L của ánh sáng đi trên đoạn đường AB qua một hay nhiều môi trường là đoạn đường mà ánh sáng sẽ đi được, nếu như nó truyền qua chân không trong cùng khoảng thời gian t mà ánh sáng

đã dùng để đi qua một hay nhiều môi trường đó

Câu 4: Trình bày khái niệm về mặt sóng hình học và định luật Malus về quang lộ của ánh sáng:

tia đó truyền đến cùng một thời điểm

Về hình dạng ta thấy:

L1 = L2 = ……= Ln

Chứng minh: Giả sử ở thời điểm t các tia sáng truyền đến mặt ∑ 1 nào đó, và ở thời điểm t’= t+

các tia sáng lại truyền đến mặt phẳng ∑ 2 Theo định nghĩa thì ∑ 1 và ∑ 2 chính là các mặt sóng hình học tại các thời điểm đó Ta thấy khoảng thời gian để các tia sáng truyền từ ∑ 1 đến ∑ 2 là đều bằng

Câu 5: Áp dụng định luật Malus để chứng minh hai định luật của Descartes

- Vẽ mặt ∑ 1 vuông góc với chùm tia tới song song tịa I1

mặt ∑ 2 vuông góc với chùm tia khúc xạ tại I2

→ Ta thấy ∑ 1 và ∑ 2 lần lượt là các mặt sóng hình học của chùm tia tới và tia khúc xạ Theo định

Chương 2: PHÂN CỰC ÁNH SÁNG

Câu 1: Trình bày khái niệm ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

- Ánh sáng tự nhiên là ánh sáng trong đó vectơ cường độ điện trường dao động một cách

đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi cho ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất đẳng hướng

về quang học (tinh thể Turmalin – silicoborat aluminium, tinh thể đá Băng tan – CaCO3 hình thoi 6 mặt, tinh thể thạch anh…) thì trong những điều kiện nhất định, tác động của môi trường lên ánh sáng có thể làm cho 𝐸⃗ chỉ dao động theo một phương xác định

- Ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần là ánh sáng trong đó

vectơ cường độ điện trường 𝐸⃗ chỉ dao động theo một phương xác định

phương vuông góc với tia sáng, nhưng có phương mạnh, phương yếu

- Hiện tượng biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng

phân cực gọi là hiện tượng phân cực ánh sáng

Trong đó định nghĩa:

+ Mặt phẳng dao động: Mặt phẳng chứa

tia sáng và phương của 𝐸⃗

+ Mặt phẳng phân cực: Mặt phẳng chứa

tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động

Câu 2: Trình bày sự phân cực ánh sáng khi truyền qua bản Tuamalin dày và định luật Malus về phân cực ánh sáng

- Hiện tượng phân cực sáng khi truyền qua bản Tuamalin:

Tinh thể Tuamalin (hợp chất silicoborat aluminium) có tính chất là biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực

Giả sử có bản Tuamalin dày (> 1 mm), có các mặt song song với nhau và song song với một phương đặc biệt ở trong bản gọi là quang trục – Quang trục là một phương nào đó trong tinh thể mà 𝐸⃗ dao động theo phương đó thì truyền qua hoàn toàn Cho một tia sáng tự nhiên chiếu vuông góc với mặt bên của bản T1 Các 𝐸⃗ dao động theo mọi phương xung quanh tia sáng và vuông góc với

2

tia sáng Những 𝐸⃗ nào dao động theo phương song song với thì qua hoàn toàn bản T1 Những 𝐸⃗ làm với một góc nào đó thì ta phân tích làm hai thành phần:

Thành phần E1y // ∆1 thì qua được T1

Thành phần E1x ⊥ ∆1 thì bị T1 hấp thụ hết nên không qua được

Kết quả là, phía sau T1 ta chỉ nhận được ánh sáng có 𝐸⃗ dao động theo phương, nghĩa là nhận được ánh sáng phân cực toàn phần

½ cường độ I0 của ánh sáng tự nhiên ở phía trước bản T1:

I1 = I0 / 2

- Định luật Malus về phân cực ánh sáng:

bản T2 giống hệt bản T1, có quang trục ∆2 hợp với ∆1 một góc 𝛼 nào đó Ánh sáng sau khi đi qua T2 có 𝐸⃗ dao động theo phương 𝐸⃗ 2y // ∆2

Gọi a1 là biên độ dao động sáng của 𝐸⃗ 1y , a2 là biên độ dao động sáng của 𝐸⃗ 2y,

a2 = a1.cos 𝛼

Vậy: I 2 = a 2 2 = a 1 cos 2 𝛼

Hay:

I2 = I1.cos2 𝛼

Công thức trên chính là nội dung định luật Malus:

Khi chiếu một chùm sáng tự nhiên truyền qua hai bản Tuamalin dày, có các quang trục

∆ và ∆ hợp với nhau một góc 𝜶, thì cường độ của ánh sáng nhận được sau hai bản đó sẽ tỉ lệ

Công thức trên chứng tỏ: Nếu ta giữ cố định bản T1, quay quanh bản T2 xung quanh tia sáng thì

𝛼 = 0: nghĩa là ∆1 // ∆2 thì I2max = I1, sau T2 sẽ thấy sáng nhất

𝛼 = 90o: nghĩa là ∆1 ⊥ ∆2 thì I2min = 0, sau T2 sẽ thấy tối hoàn toàn Trường hợp này còn gọi là hai bản T1 và T2 chéo nhau

Bản P (Polaroit)

nghiên cứu cường độ ánh sáng truyền qua nó) gọi là bản phân tích ánh sáng – Bản A (Analyse)

Câu 3: Trình bày hiện tượng phân cực quay Nếu khái niệm, phân loại và ví dụ về chất hoạt quang?

(A) đặt chéo nhau (∆1 ⊥ ∆2), sau A ta thấy tối hoàn toàn

Đặt một bản thạch anh T ở giữa P và A, sau A ta lại thấy sáng Quay A đi một góc nào đó (về bên phải hay bên trái tuỳ theo loại thạch anh) thì đến một lúc nào đó ta lại thấy tối hoàn toàn → Ánh sáng sau khi ra khỏi bản T vẫn là ánh sáng phân cực hoàn toàn, nhưng phương dao động của chùm sáng không còn song song với phương ban đầu mà đã quay đi một góc bằng góc ta phải quay kính phân tích (A) để lại làm tắt ánh sáng

- Ta nói bản thạch anh đã làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực, gọi hiện

tượng này là hiện tượng phân cực quay

Sau này người ta thấy có nhiều chất (ở thể rắn, lỏng hay dung dịch và cả khí nữa) cũng có tính chất tương tự như thạch anh VD: đường Shaccarose, glucose, Long não, Bạc hà,… Những chất này gọi

chung là các chất quang hoạt

Chất quang hoạt thường tồn tại dưới dạng: chất quay phải (hữu truyền, ký hiệu: D

(Dextrorotatory) hoặc R hay (+)), là những chất làm quay mặt phẳng dao động về bên phải (hoặc theo

chiều kiem đồng hồ) người quan sát đặt mắt sau kính phân tích Chất quay trái (tả truyền, ký hiệu: L

(Levorotatory) hoặc S hay (-))

Câu 4: Phát biểu, viết biểu thức của định luật Biot về hiện tượng phân cực quay Nêu ý nghĩa của năng suất quay cực

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, đối với một ánh sáng đơn sắc nhất định, góc quay của mặt phẳng phân cực tỷ lệ với chiều dài d của chất đó mà ánh sáng phân cực đi qua, tỷ lệ với khối lượng riêng (đối với tinh thể hay chất lỏng nguyên chất) và với nồng độ C (đối với dung dịch) của chất đó Ta có:

Đối với tinh thể và chất lỏng: 𝜑 = [𝛼].𝜌.d

Đối với dung dịch: 𝜑 = [𝛼].C.d

Hệ số [𝛼] gọi là góc quay cực riêng hay còn gọi là năng suất quay cực

[𝛼] phụ thuộc vào bản chất của chất hoạt quang, nhiệt độ và bước sóng 𝜆 của ánh sáng

→ Hiện tượng phân cực quay có tính chất tán sắc ánh sáng

Dược điển Việt Nam V quy định: Năng suất quay cực của một chất lỏng là góc quay cực quan sát được bằng chiếu tia sáng màu vàng D (589,3 nm), chất đó có tỷ trọng quy về đơn vị, có nhiệt độ

của đèn thuỷ ngân

[𝛼] đo trực tiếp bằng độ (o)

- Định luật Bio cho dung dịch gồm nhiều chất tan nhưng chúng không tương tác với nhau

𝜑 = {[𝛼1].C1 + [𝛼2].C2 + … + [𝛼n].Cn}.d

Trong đó: [𝛼1], [𝛼2], …[𝛼n] là năng suất quay cực của các chất tan

Lấy dấu (+) cho những chất quay phải dấu (-) cho những chất quay trái

Người ta cũng thấy rằng định luật Bio chỉ gần đúng và áp dụng tốt cho dung dịch loãng

Câu 5: Trình bày ứng dụng của hiện tượng phân cực quay

Phân cực nghiệm là phương pháp phân tích dựa vào việc nghiên cứu sự quay mặt phẳng

phân cực của chất khảo sát, chủ yếu được áp dụng vào hai mục đích:

- Định tính : xác định và nhật biết một chất Như đã biết, với một chất trong điều kiện đo

nhất định (về nhiệt độ và bước sóng) thì [𝛼D20] = const Vì thế việc xác định [𝛼D20] góp phần giúp

ta nhận biết được chất đó (phải kết hợp với những phương pháp hoá, lý khác) và mức độ tinh khiết của nó

- Định lượng : Dựa vào định luật Bio, khi đã biết chiều dài d của ống đo và năng suất

dịch đó:

đường, long não… hay định lượng đường glucose (dextrose) trong huyết thanh ngọt…

- Hoá học hữu cơ, việc nghiên cứu góc quay cực của một chất giúp cho việc xác định

đồng phân quang học Điều này có ý nghĩa trong nghiên cứu hoá học lập thể

- Dược lực học: Tác dụng sinh học của các thuốc có đồng phân quang học nhiều khi rất

khác nhau giữa các dạng D, R (+); L, S (-) hay đồng phân racemic (là hợp của hai đồng phân quang học D, R (+) và L, S (-) bằng nhau) Vì thế phân biệt chúng rất quan trọng trong thực tiễn điều trị

+ Dung dịch tiêm truyền đường glucose đó là đồng phần D, R (+) Nó có tác dụng trợ lực trong trường hợp mất nhiều máu, nước, truỵ tim mạch Còn có tác dụng lợi tiểu, giải độc trong bệnh nhiễm khuẩn Dung dịch đẳng trương 5% Dung dịch ưu trương ≥ 10%

+ Đường levulosa (fructose) là đồng phân L, S (-) Chế phẩm dược dụng là dung dịch 20%

và 40% Có tác dụng tăng dự trữ glycogen ở gan, tăng dịch dưỡng ở cơ tim và lợi tiểu Dùng trong bệnh viêm cơ tim, suy tim, viêm gan, …

+ Fugacar (mebendazol – vermox) dạng đồng phân quang học có tác dụng diệt giun mạnh gấp nhiều lần dạng racemic

Chương 3: HẤP THỤ ÁNH SÁNG

Câu 1: Trình bày sự hấp thụ photon ánh sáng của phân tử Nêu biểu thức và điều kiện áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng

- Sự hấp thụ photon ánh sáng của phân tử: Năng lượng của một phân tử (E) gồm

Ta có: E = E t + E e + E d + E q

Trong đó năng lượng của chuyển động tịnh tiến của phân tử không đáng kể, có thể bỏ qua Xét về độ lớn của các loại năng lượng, người ta thấy:

E e >> E d >> E q

Theo lý thuyết lượng tử, khi một photon ánh sáng đi gần các hạt vi mô (điện tử, ion, nguyên

tử, phân tử,…) sự hấp thụ năng lượng có thể và chỉ có thể xảy ra khi photon đó mang năng lượng đúng bằng hiệu mức năng lượng của các trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản

Biểu thức biểu diễn sự trao đổi năng lượng:

∆E = E * - E 0 = h 𝜈 = ℎ𝑐

𝜆

E0: mức năng lượng của hạt ở trạng thái cơ bản

h: Hằng số Planck, h = 6,625.10-34 J.s

c: Vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s

𝜆 : bước sóng ánh sáng

Khi hạt được hấp thụ năng lượng của photon sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích:

trạng thái cơ ban ban đầu có mức năng lượng thấp hơn, truyền năng lượng thừa cho các nguyên tử, phân tử môi trường xung quanh,

- Làm cho môi trường nóng lên và đó là sự phục hồi không bức xạ

- Khi sự phục hồi có kèm theo phát xạ, như phát huỳnh quang, đó là sự phục hồi có bức

xạ (Hình 3.1b)

Trên (Hình 3.1a) ta thấy sự hấp thụ bức xạ tử ngoại (UV – Ultra Violet) có năng lượng lớn,

Còn sự hấp thụ tia hồng ngoại (IR – Infra Red) chỉ dẫn đến sự thay đổi các mức năng lượng dao động, phân tử vẫn ở trạng thái điện tử cơ bản

Trên (Hình 3.1a) ta thấy có nhiều bức xạ có bước sóng khác nhau được hấp thụ, ứng với những sự chuyển mức năng lượng khác nhau Thực tế có số mức năng lượng tồn tại lớn hơn rất nhiều, nghĩa là có nhiều bức xạ ánh sáng hấp thụ Vì vậy hấp thụ phân tử ứng với các vạch phổ đứng

- Định luật hấp thụ ánh sáng: Chiếu một

chùm ánh sáng đơn sắc, song song tới đập vuông

góc vào một lớp môi trường giới hạn bởi hai mặt

phẳng song song, có bề dày l (Hình 3.2)

If: Phần ánh sáng bị phản xạ khi đi tới mặt

phân cách

Ix: Phần ánh sáng bị tán xạ trong môi trường

It: Phần truyền qua khối môi trường

Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

I o = I f + I x + I h + I t

Giả sử mặt ngăn cách của môi trường rất nhẵn, phẳng và các tia sáng tới đập vuông góc với

Ix có thể bỏ qua Ta có thể viết lại:

I o = I h + I t

Để xác định trực tiếp phần năng lượng ánh sáng bị phân tử môi trường hấp thụ thì rất khó

tuy vậy có thể xác định Ih gián tiếp qua việc đo Io và It

Câu 2: Thiết lập biểu thức và nêu rõ điều kiện áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer- Lambert-Beer

Ta xét một lớp môi trường có bề dày dx, cách mặt trước của môi trường là x Gọi

i là cường độ chùmg sáng khi đi tới mặt dx

(i + di) là cường độ chùm sáng khi đi ra khỏi lớp dx

Ta thấy rằng khi đi qua lớp dx, cường độ chùm sáng đã giảm đi → di < 0

Độ lớn di của cường độ chùm sáng tỷ lệ với i và độ dày dx, ta có:

|di| ~ i, dx

Ta có thể viết: di = - k.i.dx (1)

Trong đó: k là hệ số tỉ lệ, gọi là hệ số hấp thụ của môi trường

k phụ thuộc vào bản chất, mật độ môi trường và bước sóng ánh sáng

Do đó: I t = I 0 e -k.l (2) - Biểu thức toán học của định luật Bouger – Lambert

Khi chuyển từ cơ số tự nhiên (e) sang cơ số thập phân (10) thì biểu thức (2) Trở thành:

𝜀 là hệ số tắt của dung dịch hay còn gọi là hệ số hấp thụ của dung dịch

* Hệ số 𝜺 không phụ thuộc vào nồng độ, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan, vào

Phối hợp các biểu thức (2) và (3) ta được phương trình biểu diễn định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng, định luật Bouguer – Lambert – Bear:

I t = I 0 10 −𝜀.𝐶.𝑙 Định luật này chứng tỏ: Hệ số hấp thụ của một chất tỷ lệ thuận với khối lượng lớp môi trường

mà ánh sáng đi qua, tức là tỷ lệ thuận với số phân tử chất hấp thụ trên một đơn vị độ dài của đường truyền sáng

Ý nghĩa vật lý của định luật : khả năng hấp thụ ánh sáng của một phân tử nào đó không phụ thuộc và sự có mặt của các phân tử khác ở xung quanh nó.Điều này chỉ đúng với các dung dịch loãng Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử giảm, tương tác giữa các phân tử

đáng kể, ta thấy có nhiều sai khác so với định luật Bouguer – Lambert – Bear Ngoài ra, trong nhiều trường hợp 𝜀 phụ thuộc vào chất tan và dung môi

→Sự tương tác giữa các phân tử chất tan và các phân tử dung môi cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ của dung dịch

→ Điều kiện để áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng là:

+ Chùm sáng phải đơn sắc

+ Dung dịch đo phải loãng (nằm trong khoảng nồng độ thích hợp)

+ Dung dịch phải trong suốt (trừ chuẩn độ đo quang)

+ Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dưới tác dụng của ánh sáng (UV – Vis)

Câu 3: Nêu khái niệm phổ hấp thụ phân tử, ứng dụng của quang phổ hấp thụ phân tử

- Phổ hấp thụ: Đa số các chất trong suốt có hệ số hấp thụ k (cũng có nghĩa là độ hấp thụ A)

thay đổi theo bước sóng 𝜆 Những chất có đặc trưng trên gọi là các chất hấp thụ lọc lựa và đồ thị biểu diễn độ hấp thụ A theo bước sóng 𝜆 là đường cong Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ

hấp thụ (A) của một chất vào bước sóng ánh sáng chiếu vào nó, gọi là phổ hấp thụ của chất đó: A = f( 𝜆)

Phổ hấp thụ của mỗi chất được đặc trưng bởi hình dạng đường cong hấp thụ, số lượng, vị trí và cường độ của các cực đại

Ngày nay phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (bao gồm phổ tử ngoại UV), khả

kiến (Vis), hồng ngoại (IR)) đã trở thành một phương pháp phân tích thông dụng trong các

phòng thí nghiệm ở các cơ sở nghiên cứu, trường học, trạm kiểm nghiệm, xí nghiệp sản xuất

dược phẩm… Sở dĩ như vậy vì phương pháp này có những ưu điểm chính sau:

+ Độ chính xác (precision), độ lặp lại (reproducibility) khá cao

+ Sai số tương đối của phương pháp (UV và Vis) nhỏ, thường khoảng 0,5 – 1%

𝜇g/l (cỡ vài chục 𝜇g/ml) rất thích hợp cho các phép phân tích vết (phân tích độc chất)

+ Thời gian phân tích nhanh, chỉ cần 5 – 10 phút có thể cho biết ngay kết quả

+ Kỹ thuật thao tác đơn giản, máy móc ngày càng hoàn thiện, gọn nhẹ, trình độ tự động hoá, tin học hoá cao

- Ứng dụng của phổ hấp thụ:

+ Phân tích định tính: Cơ sở lý luận của phương pháp phân tích phổ hấp thụ phân tử là

sự phụ thuộc giữa phổ của một chất vào cấu trúc hoá học của nó (cụ thể là cấu trúc của lớp vỏ điện

tử, của các mối liên kết, của các nhóm chức và cấu hình không gian của phân tử…) Hình 3.5 cho phổ hấp thụ của diệp lục (chloropyl) với cấu trúc khác nhau cho phổ hấp thụ khác nhau

→ Hai chất được đo trong những điều kiện hoàn toàn như nhau mà cho phổ (đặc

biệt là phổ IR) hoàn toàn giống nhau thì có thể xem hai chất đó có cấu trúc hoá học như

nhau.

Để phân tích phổ, người ta dựa vào các chỉ tiêu: Bước sóng hấp thụ cực đại: 𝜆max (với phổ

𝛾̅

cực tiểu hấp thụ

Trong thực tế thường tiến hành so sánh phổ của chất khảo sát với phổ của chất chuẩn được

đo trong những điều kiện như nhau hoặc so sánh với phổ đã được công bó trong các tài liệu tra cứu (catalogue chuyên đề…) Hiện nay việc dùng phổ hấp thụ hồng ngoại để phân tích định tính có nhiều

ưu việt hơn dùng phổ tử ngoại, khả kiến, vì phổ IR cho lượng thông tin nhiều hơn (phổ IR của một

Phân tích cấu trúc của một chất không thể thiếu được phương pháp phổ IR Hình 3.7 là phổ hấp thụ

IR của Paracetamol

+ Phân tích định lượng: Là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của phương pháp phổ UV và

Vis Nhiều chuyên luận trong Dược điển đã dùng phương pháp này để định lượng các hoạt chất

%

Cơ sở của phương pháp là dựa vào công thức:

A = 𝜀.C.l

Ta có A là đại lượng không có đơn vị và nó có tính chất quan trọng là tính cộng độ hấp

A = AA + AB = l.(𝜀A.CA + 𝜀B.CB)

Có nhiều kỹ thuật định lượng bằng phổ UV và Vis:

+ Phương pháp đo trực tiếp,

+ Phương pháp so sánh

+ Phương pháp đường chuẩn

+ Phương pháp thêm đường chuẩn

+ Phương pháp chuẩn độ đo quang

+ Phương pháp quang phổ vi sai

+ Phương pháp phổ đạo hàm

Đặc biệt việc phân tích từng thành phần trong một hỗn hợp mà không phải tách riêng từng thành phần ra là một ưu điểm của phương pháp phân tích phổ UV và Vis

Câu 4: Trình bày khái niệm một số đại lượng đo quang thông dụng

- Độ truyền qua (T – Transmittance)

Độ truyền qua (hay còn gọi là độ thấu quang) đặc trưng cho độ trong suốt (về mặt quang học) của dung dịch, được định nghĩa:

Hệ số hấp thụ phân tử, hay còn gọi là hệ số tắt mol, là độ hấp thụ của dung dịch có nồng độ

1 M/l, dung cốc đo có bề dày 1 cm

- Hệ số 𝜀 không phụ thuộc vào nồng độ

- chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan và vào bước sóng 𝜆 của ánh sáng chiếu vào dung dịch

𝜆 thì phải xác định hệ số hấp thụ 𝜀 tương ứng với bước sóng 𝜆

Câu 5: Nêu các bộ phận chính của một máy quang phổ và trình bày đặc điểm của các bộ phận đó

Máy quang phổ UV – Vis có 5 khối chức năng chính, theo sơ đồ khối như sau:

- Nguồn phát bức xạ: Gồm có 3 loại đèn nguồn

+ Đèn dây tóc (tungsten) phát ra ánh sáng vùng khả kiến có 𝜆 > 320 nm

+ Đèn xeon phát ánh sáng có = 200 → 800 nm

- Hệ đơn sắc (monochromator): Ánh sáng từ ngồn phát ra là ánh sáng đa sắc, hoặc có độ

đơn sắc chưa cao Để làm đơn sắc ánh sáng, có nhiều cách khác nhau:

+ Dùng kính lọc cho ta chùm sáng có độ đơn sắc không cao, thường chỉ dùng trong các

quang kế thông thường (photometre) Trong các máy quang phổ (spectrophotometre) người ta dùng một trong 2 thiết bị sau:

+ Dùng lăng kính, dựa vào sự tán sắc ánh sáng để biến ánh sáng đa sắc thành đơn sắc Nếu

đo trong vùng UV thì phải dùng lăng kính thạch anh

+ Dùng cách tử (grating) – xem phần cách tử nhiễu xạ

- Quang kế: quang kế thực chất là một hệ thống các thiết bị quang học như khe sáng, các

gương, lăng kính, thấu kính,… để làm các chức năng quang học khác nhau

- Ngăn đựng mẫu đo: có loại một ngăn dùng cho máy quang phổ một chùm tia, có loại hai

ngăn dùng cho máy hai chùm tia

- Bộ thu bức xạ: bộ phận này có chức năng chuyển các tín hiệu ngang thành tín hiệu điện,

xử lý tín hiệu để biểu thị kết quả đo trên đồng hồ, trên giấy vẽ phổ hay trên bản in của máy tính

Để biết tính hiệu quang thành tín hiệu điện, người ta có thể dùng các loại tế bào quang điện, ống nhân quang điện, quang điện trở Một số máy hiện đại dùng các mảng diot (diode array) làm bộ thu bức xạ (detector)

Các máy quang phổ hiện nay thường có gắn kết nối với máy tính để xử lý tín hiệu đầu ra của máy quang phổ Nhờ vậy công việc phân tích trở nên nhanh chóng, thuận lợi và chính xác hơn nhiều

Câu 6: Nêu cách phân biệt các loại cốc đo dựa trên độ truyền qua của bức xạ điện tử

Cốc đo (cuvette) cũng có 3 loại:

+ Thuỷ tinh (Glass) chỉ dùng để đo vùng khả kiến

+ Silica (Silic dioxid) chỉ dùng để đo vùng tử ngoại (dưới 350 nm)

+ Thạch anh (Quartz) dùng cả tử ngoại và khả kiến Hình 3.10 cho thấy độ truyền qua của các bức xạ khi đi qua các cuvette có chất liệu khác nhau Bề dày cốc cũng khác nhau tuỳ theo yêu cầu đo từ 0,1 đến 10 cm dùng cho các nồng độ khác nhau, loại thông dụng có bề dày 1 cm như hình 3.10

CHƯƠNG 4: NHIỄU XẠ

Câu 1: Trình bày phương pháp đới cầu Fresnel

Để tính dao động sáng do một nguồn sáng S truyền đến điểm M nào đó, theo nguyên lý Huyghen – Fresnel, ta có thể thay nguồn sáng thực S – nguồn sáng sơ cấp, bằng những nguồn sáng thứ cấp nằm trên một mặt cầu Σ có tâm tại S, rồi tổng hợp tất cả các dao động sáng do các nguồn thứ cấp này truyền đến M

Để làm điều này, từ S ta vẽ mặt cầu Σ bao quanh nó Rồi lấy M làm tâm, ta vẽ các mặt cầu

Σ0, Σ1, Σ2,…có bán kính lần lượt là r0, r0 + 𝜆2, r0 + 2𝜆2, … Như vậy khoảng cách từ các mép của những

B1M – B0M = B2M – B1M = … = BnM – Bn-1M = 𝜆2

2 Biên độ dao động sáng ở M từ các đới riêng biệt truyền đến phụ thuộc vào 3 yếu tố:

- Diện tích của đới cầu: nếu diện tích đới cầu càng lớn thì biên độ dao động sáng tại M do đới cầu đó truyền đến càng lớn Người ta đã chứng minh được rằng, với cách xây dựng đới cầu như trên thì diện tích các đới đều bằng nhau, nên yếu tố này thực tế không ảnh hưởng đến biên độ dao động sáng ở M do các đới cầu khác nhau truyền đến

- Khoảng cách r từ đới đến M, nếu khoảng cách càng tăng thì biên độ càng giảm

Biên soạn: Vitamin Dược - Team học tập Tình Nguyện Dược VLĐC 2 | 24

a= 𝑎1

2 ±𝑎𝑛

2lấy dấu (+) khi n lẻ, lấy dấu (-) khi n chẵn

Khi giữa nguồn S và điểm M không có vật chướng ngại thì số đới cầu n sẽ nhiều vô hạn, khi đó giá trị 𝑎𝑛

gần đúng bằng:

a≅ 𝑎1

2Vậy cường độ sáng tại M do nguồn S truyền đến bằng:

Io = a2 = (𝑎1

2)2 =𝑎1

4 =𝐼1

4 Trong đó I1 là cường độ sáng tại M do riêng đới thứ nhất truyền đến

Tóm lại, trong những trường hợp cụ thể tuỳ vào số đới n có thể là chẵn hay lẻ, là nhiều hay

ít mà cường độ sáng tổng hợp tại M do các đới đó truyền đến sẽ lớn hay nhỏ

Câu 2: Trình bày biện tượng nhiễu xạ của sóng cầu qua lỗ tròn

Trong thí nghiệm Fresnel, nguồn sáng S và màn ảnh Q đều nằm gần lỗ tròn Sóng sáng truyền tới lỗ tròn là sóng cầu, nên người ta gọi hiện tượng nhiễu xạ này là nhiễu xạ của sóng cầu – hay nhiễu xạ ở gần hoặc nhiễu xạ Fresnel

Lấy mặt sóng cầu tựa lên chu vi của lỗ tròn

làm mặt, chia phần mặt không bị màn P che ra thành

những đới cầu Fresnel Có 2 trường hợp có thể xảy

I= a2= (𝑎21+𝑎𝑛

2)2 > (𝑎1

2)2Hay: I > 𝐼41= Io

Nghĩa là, khi giữa nguồn S và điểm M có màn chắn, trên đó đục lỗ tròn chứa vừa đúng một

Qua đây ta thấy một ý nghĩa thực tiễn là, trong các quang cụ (kính hiển vi) thường trước vật kính cũng có lá chắn có thể điều chỉnh được đường kính lỗ to, lỗ nhỏ tuỳ ý Tác dụng của lá chắn ở đây ngoài việc có thể khử được một số quang sai của hệ, còn là để tăng cường độ sáng chiếu vào vật, giúp ta quan sát được vật rõ hơn

- Khi lỗ tròn chứa một số chẵn đới, khi đó biên độ

dao động sáng tổng hợp tại M sẽ là:

a= 𝑎21−𝑎𝑛

2 ( n là chẵn) Vậy: a< 𝑎1

4 = Io

Nghĩa là khi màn chắn P chỉ cho một số chẵn đới Fresnel đi qua lỗ, thì cường độ sáng tại M sẽ nhỏ hơn cường độ Io khi không có màn chắn P ( trường hợp điểm M2) Kết quả là tại M ta có một điểm sáng yếu

Đặc biệt khi lỗ chỉ chứa đúng hai đới cầu thì:

Io = (𝑎1

2 −𝑎𝑛

2)2 ≅ 0 Khi đó tại M sẽ có một điểm tối hoàn toàn

Trường hợp điểm M’ nằm trên màn Q ngoài trục SO (Hình 4.4):

Trục SM’ cắt mặt sáng cầu tại O’ Vẽ các

đới Fresnel có trục đối xứng là SO’ Trường hợp

này màn chắn P đã chắn mất một phần diện tích

của các đới cầu Ta cộng diện tích các đới cầu phần

do lỗ tròn chừa lại Những phần đới cầu chẵn cộng

với nhau, phần đới cầu lẻ cộng với nhau Sau đó

lấy hiệu của chúng

Nếu hiệu số này xấp xỉ đới cầu thứ nhất,

thì tại M’ sẽ là điểm sáng Nếu hiệu này xấp xỉ bằng

không thì tại M’ là điểm tối Nghĩa là, quanh điểm

M ta có những hình vành khăn đồng tâm với M có

cường độ sáng lớn, nhỏ khác nhau Càng xa M cường độ sáng càng nhỏ Đó chính là những vân nhiễu xạ

Tóm lại điểm M có thể sáng hơn lên hoặc

tối đi so với khi không có màn chắn, tuỳ theo giá

trị của n, tức là tuỳ theo kích thước của lỗ tròn và

vị trí của màn quan sát Do tính đối xứng nên

xung quanh M sẽ là các vòng tròn sáng, tối đồng

tâm xen kẽ nhau, có tâm tại điểm M đó (Hình 4.5)

Câu 3: Trình bày hiện tượng nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp và nhiều khe hẹp

- Nhiễu xạ qua một khe hẹp:

Bố trí thí nghiệm:

tia sáng song song tới đập vào màn chắn P có khoét một khe hẹp hình chữ nhật, có bề rộng a và có chiều dài lớn gấp nhiều lần chiều rộng (gần như dài vô hạn) Để quan sát ảnh nhiễu xạ người ta đặt

tiêu của L2

Để giải thích ảnh nhiễu xạ trong trường hợp này người ta cũng áp dung phương pháp đới cầu Fresnel Ở đây ta lấy mặt sóng phẳng do nguồn S truyền đến nằm ngang trên màn chắn P làm mặt sóng Σ phát ra những nguồn thứ cấp

Chia phần mặt S nằm trên khe ra thành những dải

2Những dải hẹp này gọi là những giải Fresnel

(tương tự như đới cầu Fresnel trong sóng cầu)(Hình 4.7) Số dài Fresnel chứa trên mặt khe bằng:

n=𝐵ề 𝑟ộ𝑛𝑔 𝑚ộ𝑡 𝑑ả𝑖 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑛𝑒𝑙 𝐵ề 𝑟ộ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑘ℎ𝑒 =𝐵𝑎

𝑜 𝐵1Mà:

BoB1 = B1 H1

sinφ= λ2sinφ

Biên soạn: Vitamin Dược - Team học tập Tình Nguyện Dược VLĐC 2 | 28

suy ra:

Trong đó là góc nghiêng của chùm tia nhiễu xa với quang trục Vậy:

n = 2𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜑

𝜆 (10) Theo kết quả tìm được khi nghiên cứu nhiễu xạ của sóng cầu qua một lỗ tròn nhỏ, ta cũng

+ Nếu khe hẹp chứa vừa đúng một số chẵn dải Fresnel, nghĩa là nếu:

n = 2𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜑

Vậy góc nghiêng ứng với các cực tiểu nhiễu xạ được xác định bởi điều kiện:

Ta loại trừ giá trị k = 0, vì nếu k = 0 thì theo (*) = 0, nghĩa là chùm tia thứ cấp cùng phương

nhất, gọi là cực đại nhiễu xạ giữa

+ Nếu khe hẹp chứa vừa đúng một số lẻ dải Fresnel, nghĩa là nếu:

n = 2𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜑𝜆 = 2k + 1 (k = 1; 2; …) thì tại M sẽ là một điểm sáng, gọi là cực đại nhiễu

xạ Vậy góc nghiêng φ ứng với cực đại nhiễu xạ được xác định bởi điều kiện:

2𝑎 (12) Trong đó k = 1; ±2; ±3;… Ta loại trừ giá trị k = 0 và k = -1 vì rằng ứng với các giá trị đó

sinφ=± 2𝑎𝜆 ra lại có cực đại thì giữa sinφ= 0 và sinφ= ±2𝑎𝜆 phải có cực tiểu Tuy nhiên theo (11) thì

𝑎 ) Tóm lại:

Sinφ= 0 có cực đại chính giữa

𝑎, ±2𝜆

𝑎, ±3𝜆

𝑎, … có các cực tiểu nhiễu xạ

Sinφ= 32𝑎𝜆 , ±52𝑎𝜆,… Có các cực đại phụ Đồ thị phân bố

cường độ sáng trên màn Q cho bởi ( Hình 4.8)

Bề rộng cực đại giữa rộng gấp hai lần bề rộng của

đại giữa là do các dao động cùng pha từ toàn bộ mặt phẳng khe gây ra Một cách gần đúng ta có thể coi toàn bộ ánh sáng tập trung ở cực đại giữa

- Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp:

Gỉa sử có N khe hẹp giống nhau nằm song song với nhau

trong một mặt phẳng (Hình 4.9) Dọi lên các khe đó một chùm ánh

sáng đơn sắc song song Giả sử chùm sáng gồm các tia sáng kết

hợp

Gọi bề rộng của mỗi khe là a, khoảng cách giữa hai khe

cạnh nhau là d Vì các khe có thể coi là các nguồn kết hợp, do đó

ngoài hiện tượng nhiễu xạ gây bởi một khe còn có hiện tượng giao

thoa gây bởi các khe Vì vậy ảnh nhiễu xạ thu được trên màn trở

nên phức tạp hơn

Mô tả:

Hình 4.10a cho hệ vân giao thoa quan sát được trên màn khi các khe vô cùng hẹp Các vân sáng có cùng cường độ Hình 4.10b cho nhiều ảnh nhiễu xạ qua một khe, cực đại giữa rộng và cao, các cực đại phụ yếu hơn nhiều Hình 4.10c (đường liền nét) cho ảnh vừa nhiễu xạ vừa giao thoa Kết quả là ta thấy hình 4.10c là sự chồng hình 4.10b lên hình 4.10a

Thực nghiệm cho thấy khi số khe hẹp tăng lên (N) tăng lên thì:

Bề rộng của các vân trở nên hẹp hơn (sắc nét hơn)

Giữa 2 cực đại chính có nhiều cực đại phụ với cường độ rất nhỏ

đại phụ tăng về số lượng nhưng cường độ lại giảm tới mức quả nhỏ có thẻ bỏ qua tác dụng của chúng, khi đó không cần chú ý đến chúng nữa mà tập trung vào những vân sáng bây giờ rất hẹp đượ

gọi là những vạch sáng

Vị trí các cực đại chính (vạch sáng) được xác định bởi điều kiện:

d.sinφ = kλ ( k= 0,±1, ±2, … ) Tại điểm O ( k=0; sinφ=0) ta có được cực đại chính giữa

Câu 4: Trình bày định nghĩa, độ tán sắc, năng suất phân giải và ứng dụng của cách từ nhiễu xạ

- Cách tử: Một tập hợp N khe hẹp song song, giống nhau

nằm cách đều nhau trong cùng một mặt phẳng (có thể tới hàng nghìn

khe /mm) gọi là cách tử nhiễu xạ Khoảng cách d giữa hai khe liên

tiếp gọi là hằng số (hay chu kỳ) của cách tử:

Số khe trên một đơn vị chiều dài của cách tử là:

n = 1𝑑

- Độ tán sắc: là đại lượng xác định khả năng tách hai bức xạ có bước sóng gần nhau thành

là tỷ số:

𝐷𝜑= ∆𝜑

∆𝜆Trong đó ∆𝜑 là khoảng cách góc giữa hai vạch có bước sóng khác nhau một lượng ∆𝜆

Do điều kiện xác định cực đại nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp: d.sinφ = k 𝜆

Lấy vi phân 2 bế ta được: d.cosφ.dφ = k.d𝜆 Vậy:

𝐷𝜑= 𝑑𝑑𝜑

𝜆 = 𝑘𝑑.𝑐𝑜𝑠𝜑Nhìn vào công thức ta thấy, muốn độ tán sắc lớn thì cách tử phải có hằng số d nhỏ và làm việc ở bậc k cao Chính vì thế, trong thực tế người ta chế tạo các cách tử có số vạch /mm lớn, có thể lên đến 4000 khe/mm Còn bậc k thường chọn là bậc 1 hoặc 2, vì ở bậc cao hơn cực đại nhiễu xạ có cường độ rất nhỏ

- Năng suất phân giải: Tách được hai bước sóng đã là quan trọng, nhưng phải phân biệt

được cực đại của hai vạch có bước sóng gần nhau Nếu tách được hai bước sóng mà độ rộng của hai vạch được tách ra càng nhỏ thì sự phân biệt hai vạch đó càng dễ dàng Nói cách khác, cách tử phải

có năng suất phân giải R lớn Năng suất phân giải của cách tử được định nghĩa là đại lượng:

R= ∆𝜆𝜆 (19) Trong đó 𝜆 là bước sóng trung bình của hai vạch vừa đúng được xem là phân ly, còn ∆𝜆 là hiệu của hai bước sóng đó ∆𝜆 càng nhỏ thì cách tử càng có khả năng phân ly các bước sóng ở gần nhau Người ta chứng minh được năng suất phân giải của cách tử được tính theo công thức:

R= ∆𝜆𝜆 = k.N (20)

Như vậy, ta thấy: Để đạt được độ tán sắc lớn các vạch cách tử phải nằm gần nhau (d nhỏ), còn để đạt năng suất phân giải lớn cách tử phải có nhiều vạch (N lớn) Đó là lý do tại sao người ta phải chế tạo các cách tử có rất nhiều vạch trên một đơn vị dài (mm)

- Ứng dụng:

Cách tử nhiễu xạ hiện nay thường gồm hai loại:

+ Cách tử truyền qua, là cách tử cho ánh sáng đi qua

và nhiễu xạ về mọi phương VD: cách tử làm bằng thuỷ tinh

(hay thạch anh) trên đó vạch những rãnh nhỏ song song, đều

nhau (Hình 4.13a)

+ Cách tử phản xạ là một mặt kim loại phẳng và nhẵn

bóng, trên đó vạch những rãnh nhỏ cách đều nhau (Hình

4.13b) Khi rọi ánh sáng lên ặt cách tử, ánh sáng sẽ nhiễu xạ

trên những dải bằng phẳng giữa cách rãnh và gây ra hình nhiễu

Ứng dụng đầu tiên của cách tử nhiễu xạ là dùng để đo bước sóng ánh sáng với độ chính xác

d.sinφ= k𝜆 Suy ra:

𝜆 = 𝑑.𝑠𝑖𝑛𝜑

𝑘 (21)

Như vậy, khi biết chu kỳ cách tử d, biết bậc k của quang phổ và đo được góc nghiên ứng với vạch quang phổ đơn sắc thì sẽ tính được của tia đó

Ứng dụng quan trọng nhất và phổ biến nhất của cách tử nhiễu xạ là nó đóng vai tròn của một

hệ đơn sắc (morochromator), giống như vai trò của lăng kính, trong các máy quang phổ kiểm nghiệm dược phẩm (spectrophotometer) Tức là để phân tích ánh sáng đa sắc thành những ánh sáng đơn sắc

CHƯƠNG 5: NHIỄU XẠ TIA RƠNGHEN VÀ ỨNG DỤNG

Câu 1: Trình bày khái niệm mạng không gian và ô cơ bản

- Cấu trúc vật lí của vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào sự sắp xếp các nguyên tử, ion hoặc phân tử cấu thành vật rắn và lực liên kết giữa chúng Nếu các nguyên tử hoặc ion của vật rắn được sắp xếp trong một mẫu hình lặp lại trong không gian ba chiều thì chúng tạo thành vật rắn có cấu trúc tinh thể hay vật liệu tinh thể

- Các kim loại, hợp kim và một số kim loại gốm là vật liệu tinh thể

- Sự sắp xếp nguyên tử trong vật rắn tinh thể có thể được mô tả bởi một mạng lưới ba chiều mà nút mạng là các nguyên tử (hoặc phân tử, hoặc ion), mạng lưới như vậy gọi là mạng không gian

và có thể được mô tả như là một ma trận điểm ba chiều vô hạn

- Mỗi điểm hay nút mạng trong mạng không gian đều có sự bao quanh giống nhau Trong tinh thể

lí tưởng, tập hợp các nút mạng quanh bất kì một nút đã cho nào cũng giống như tập hợp các nút mạng quanh một nút bất kì khác trong mạng tinh thể

Mỗi mạng không gian có thể được mô tả bởi các vị trí nguyên tử xác định trong 1 ô đơn vị ( hay ô

cơ bản) lặp lại trong không gian Kích thước và hình dạng của ô đơn vị có thể biểu diễn bằng ba vecter cơ sở a⃗ , b⃗ và c xuất phát từ một góc của ô đơn vị Chiều dài a, b và c của ba vecter này và góc giữa chúng α, β và γ được gọi là hằng số mạng

Câu 2: Trình bày 1 số đặc điểm chính phần phổ đặc trưng của phổ tia X