Transcript TEMA 9d-MONOHROMATORI.ppt

Instrumentalna analiza , Profesor Hemije
MONOHROMATORI
Dr D. Manojlović, Hemijski fakultet Beograd
FILTRI
Filtri često ulaze u sastav spektralnih aparata i
njihova uloga može biti različita
Pred toga što menjaju spektralni sastav
svetlosti filtri se koriste i za promenu
intenziteta svetlosit kao i za promenu
spektralne osetljivosti prijemnika zračenja
Osnovne karakteristike filtra su njihova
propustljivost, T i spektralna kriva
propustljivosti, odnosno zavisnost propustljivosti
od talasne dužine zračenja
Za sve filtere, osim korigujućih, poželjno je da
im oblast propustljivosti bude što uža i da je
propustljivost van jedne uske oblasti jednaka
nuli
Filtri koji propuštaju podjednako sve talasne
dužine u nekoj spektralnoj oblasti nazivaju se
sivi filtri ili neutralni filtri
Filtri koji propuštaju samo jednu oblast talasnih
dužina jesu selektivni filtri
Selektivni filtri koji izdvajaju jednu vrlo usku
spektralnu oblast zračenja nazivaju se
uskotrakasti ili monohromatski filtri
Moć razlaganja filtra je obično mala –širina
propuštenog dela zračenja je obično desetak i
više nanometara
Filtri za ultraljubičastu i vidljivu oblast izrađuju
se nanošenjem tankih slojeva aluminijuma,
srebra ili platine na staklenu ili kvarcnu podlogu
Za vidljivu oblast dobar filter predstavlja
koloidni rastvor grafita.
Filtri se mogu izrađivati i kao stepenasti
oslabljivači-filtri kod kojih se propustljivost
menja skokovito pri prelasku sa jednog na drugi
deo filtera.
Ovi filtri se često prave u obliku klina tako da
se propustljivost linearno menja duž klina
Ovakvi filtri se koriste pri kalibrisanju
fotoemulzija u fotometriji
Za razliku od sivih filtera, selektivni filtri se
karakterišu velikom propustljivošću na
maksimumu krive propustljivosti
Prema principu rada razlikujemo četiri vrste
selektivnih filtara:
a: apsorpcioni filtri
-princip selektivne
apsorpcije
b: interferentni filtri
-princip
interferencije
c: disperzioni filtri
-princip rasipanja
svetlosti
Karakteristike filtera su:
-maksimalna propustljivost,Tmax ,
-talasna dužina na maksimalnoj propustljivosti, max ,
-spektralna propusna širina (poluširina trake propustljivosti)interval talasnih dužina gde je propustljivost jednaka polovini
maksimalne propustljivosti
-rezudualna propustljivost , Trez, koja odgovara propustljivosti
van trake propustljivosti
Filtri koji se koriste za odsecanje
kratkotalasnog ili dugotalasnog dela spektra
ponekad se karakterišu i talasnim dužinama na
kojima je propustljivost T dva puta manja od
maksimalne
Ova talasna dužina se označava sa gr
Poželjno je da filtri imaju što veću vrednost
Tmax, a što manju vrednost Trez
Kod obojenih filtera Tmax, se kreće od 10 do
90%, poluširina oko 40 nm, dok je kod
interferentnih filtra 10-20 nm i manja, a Trez
je dosta visoko
Apsorpcioni filtri
Često se primenjuju, a slabljenje svetlosti kod
ovih filtara se pokorava Lambert-Beerovom
zakonu:
I  I 0  10 a b
gde su:
I- intenzitet propuštene svetlosti
Io- intenzitet upadne svetlosti
a - apsorpcioni koeficijent
b - debljina filtra
Svetlosna energija koju filtri apsorbuju
pretvara se u toplotu, što dovodi do zagrevanja
filtra, zbog čega može doći do promena optičkih
i hemijskih karakteristika filtra
Apsorpcioni filtri: tečni, stakleni, želatinski i
gasni
Stakleni filtri su najbolji i najčešće se
upotrebljabaju, a napravljeni su od stakla kome
su dodati različiti metalni oksidi
Stakleni filtri imaju niz prednosti u odnosu na
druga apsorpcione filtre:
stabilnost na dejstvo svetlosti i toplote,
homogenost i dobre optičke karakteristike
Tečni apsorpcioni filtri su rastvori jedne ili više
apsorbujućih supstanci i imaju malu praktičnu
primenu, ali se koriste za kalibraciju
spektrofotometara
Glavni nedostatak ovih filtera je to što se mora
koristiti kiveta, ali je problem i to što se zbog
apsorpcije zračenja zagrevaju pa se zbog
konvekcije javlja nehomogenost
Dobra osobina im je što se lako može menjati
debljina apsorpcionog sloja, a izborom sastava
rastvora može se dobiti odgovarajuća
spektralna propustljivost.
Želatinski filteri se prave vrlo jednostavno,
dodatkom odgovarajućih apsorbujućih supstanci
(obično organske boje) u želatin, ali su ovi filtri
veoma krti i imaju malu termičku i vremensku
stabilnost
Gasni filtri su obično kivete napunjene gasom i
parama metala i pokazuju visoku selektivnost u
apsorpciji.
Danas se izrađuju filtri i od drugih materijala
kao što su različiti polimerni materijali
Interferentni filtri
Interferentni filtri rade na principu
interferencije i veoma često se upotrebljavaju
Ovim filtima se lako rukuje, izdvajaju veoma
usku spektraknu oblast (traku od 5-20 nm), a
mogu se koristiti od bliske UV pa sve do IC
oblasti spektra
Sastoje se od dva paralelna delimično prozračna
metalna ogledala (srebrna) između kojih se
nalazi sloj transparentnog dielektrika (MgF2)
čija je debljina jednaka polovini talasne dužine
svetlosti koju treba da izdvojimo
Presek interferentnog filtra a i princip rada b
Svetlosni zrak se prolazeći kroz filter, odbija
od ogledala i pri svakom odbijanju delimično
izlazi napolje tako da se iza filta dobija
beskonačan niz zraka sa opadajućim
amplitudama, a sa istom putnom razlikom.
Putna razlika između dva susedna zraka
određena je uglom  i debljinom sloja
dielektrika d po formuli:
b  k    2d  cos 
 -ugao pod kijim se zraci odbijaju od ogledala
k - ceo broj 1,2, ...
Prema zakonu o interferenciji zraci čija je putna
razlika jednaka celobrojnom umnošku talasnih
dužina pojačaće se
To su zraci čija je talasna dužina  jer je za njih
putna razlika jednaka dvostrukom iznosu debljina
sloja dielektrika (d= /2) tako da je b=2/2=
Imajući u vidu zakone interferencije jasno je
da će jedan filter davati niz traka
propustljivosti sa različitim talasnim dužinama
maksimuma propustljivosti
Ako je debljina filtra d, talasne dužine
maksimuma propustljivosti biće:
max 1
d
2
1
 max 2  2
d
2
 max n
d
2
n
Filtri I reda su predviđeni za izolovanje trake
najveće talasne dužine
Oni imaju optičku gustinu d=/2 i zahtevaju
uklanjanje samo kratkotalasnih maksimuma /2 i
/3, itd.
Ovo se lako postiže upotrebom specijalnih
apsorpcionih filtera
Loša osobina interferentnih filtera je što
propusna traka ima veliku rezidualnu
propustljivost tako da filteri imaju visok fon
Pored toga ovi filtri imaju i malo iskorišćenje
svetlosti
Postoje i interferentni filtri koji se sastoje iz
više slojeva dielektrika napravljenih
naizmeničnim nanošenjem materijala sa visokim i
niskim indeksom prelamanja.
Svaki sloj ima oderđenu debljinu a to se izvodi
naparavanjem materijala u vakuumu
Debljine slojeva se kreću od ¼ do 1.
Ovi filtri daju užu propusnu traku od običnih sa
većim iskorišćenjem (40-70%), ali je
propustljivost velika u nepoželjnim delovima
spektra i veoma su skupi
PRIZME
Prizme su prvi disperzioni elementi koji su
korišćeni za razlagane svetlosti
Pri prolasku kroz prizmu svetlosni zrak menja
svoj pravac zbog prelamanja na graničnim
površinama, pri čemu izlazni ugao ima različite
vrednosti za različite talasne dužine
Prizme se izrađuju od različitog materijala koji
ima veliku disperziju odnosno razliku u
indeksima prelamanja zraka različitih talasnih
dužina.
Jedna prizma se ne može koristiti za široku
spektralnu oblast
Materijal za izradu prizmi zavisi od oblasti u
kojoj se prizma koristi:
Vidljiva oblast
–optičko staklo
UV oblast
-kvarcne prizme
IC oblast
-NaCl, CaF2
Prolazak svetlosti kroz prizmu: Q = ugao prizme, N1,N2 -normale,
= skretanje upadnog zraka, 1,1-upadni uglovi, 2,2- prelomni uglovi,
n‘-indeks prelamanja vazduha, n-indeks prelamanja materijala prizme
Ugao Q je prelomni ugao prizme i to je ugao koga zaklapaju
strane prizme na kojima se dešava prelamanje
Isti taj ugao zaklapaju i normale na graničnu površinu, N1 i N2
Ukupni ugao skretanja (ugao devijacije) je   (1  1 )  ( 2   2 )
Da bi se dobio kvalitetan spektar potrebno je
da zraci prolaze kroz prizmu paralelno njenoj
osnovi
Maksimum skretanja se dobija pri simetričnom
prolasku zraka, odnosno kad je   1  2 ;     
1
Ako se prizma nalazi u vazduhu onda je:
n
sin
Q   min
2
Q
sin
2
2
jer je, n' 1 i:
Q   min

2
Q

2
Za male uglove Q je sin Q  Q pa je:
 min  (n  1)  Q
Ukupno ugaono skretanje ili ugao devijacije
Pri prolasku kroz prizmu svi zraci ne mogu imati
minimalno skretanje, pa se upadni ugao bira tako
da to budu zraci iz sredine spektra
Pri razmatranju prelamanja videli smo da indeks
prelamanja bele svetlosti zavisi od talasne
dužine
Zbog toga pri prolasku bele svetlosti kroz
prizmu dolazi do pojave disperzije, tj.
prostornog razlaganja svetlosti na pojedine
talasne dužine
Svaka talasna dužina ima svoj prelomni ugao,
što je talasna dužina manja to je prelomni ugao
veći
Sposobnost prostornog razdvajanja zraka sa
različitim talasnim dužinama karakteriše se ugaonom
disperzijom prizme,  to jest promenom ugla
skretanja zraka sa promenom talasne dužine
Ukoliko se jednačina koja određuje prolazak zraka
kroz prizmu diferencira po  dobija se jednačina za
ugaonu disperziju prizme:

2  sin( Q / 2)
n


2
2

1  n  sin (Q / 2) 
dn / d (~ n /  ) je disperzija indeksa prelamanja
Ugaona disperzija prizme zavisi od: prelomnog
ugla prizme i disperzije indeksa prelamanja
Ugaona disperzija raste povećanjem prelomnog
ugla prizme ali istovremeno sa porastom Q
raste i gubitak svetlosti zbog refleksije sa
prizme
Optimalan ugao pri kome postoji dovoljna
disperzija uz mali gubitak svetlosti je za
većinu prizmi 60°
Postoji direktna zavisnost ugaone disperzije od
indeksa prelamanja- sa povećanjem disperzije
indeksa prelamanja raste i ugaona disperzija
prizme
Ako su prizme postavljene jedna uz drugu u
položaju ugaonog skretanja, onda se njihove
ugaone disperzije sabiraju
Razmera (veličina) prizme ograničava širinu
ulaznog snopa svetlosti
Moć razlaganja prizme može se izračunati po
sledećoj formuli:
R C
dn
d
C  L1  L2
C se obično poklapa sa
dn
R

b
osnovom prizme b tako da je
d
Na moć razlaganja utiče i izrada prizme-homogenost
Obično se ne izrađuju prizme sa osnovom širom
od 10 cm
Prizme se obično prave od stakla ili kvarca koji
imaju dovoljnu prozračnost u širokim oblastima
talasnih dužina.
Površine im se mogu dobro polirati a postojane
su na sadržaj vlage u vazduhu
Staklo ima veću disperziju od kvarca u oblasti
400-800 nm, ali staklo jako apsorbuje UVzračenje, dok kvarc tek počinje da apsorbuje u
dalekoj UV oblasti
Kod pravljenja prizmi od kvarca za UV oblast
javlja se problem zbog dvojnog prelamanja i
obrtanja ravni polarizovane svetlosti.
Da bi se izbegao efekat dvojnog prelamanja
(dvostruke linije u spektru) prizme se tako režu
da optička osa kvarca leži u ravni glavnog
preseka prizme i da je paralelna sa njenom
osnovom
Tad se zraci za koje je prizma postavljena na
minimalan otklon neće razdvojiti, a za druge
zrake ovaj efekat je malo primetan.
Kod kvarca ipak, zbog njegove optičke
aktivnosti, dolazi do razdvajanja linija u
spektru čak i za zrake koji su paralelni sa
optičkom osom kristala
Da bi se ovo izbeglo obično se prave kavrcne
prizme koje su sastavljne od dve polovine od
kojih je jedna napravljena od levogirog, a druga
od desnogirog kvarca
Cornuova prizma
Kod velikih aparata, umesto Corn primenjuje se
autokolimaciona prizma
To je kvarcna prizma od 30o sa jednom
refleksionom stranom (metalno ogledalo od Ag,
Al i sl.)- Littrowljeva prizma (b)
Njeno delovanje je ekvivalentno kao kod
Cornu prizme, jeftinija je jer se troši upola
manje meterijala
Pored toga aparatima nije potrebno dodatno
sočivo za fokusiranje razloženog zraka
Kombinacijom različitih prizmi može se dobiti
željni efekat.
Amiči (c) prizma se sastoji od 3-5 prizmi od
stakla sa različitom disperzijom (kron i flint)
tako kombinovan zrak koji otprilike odgovara
sredini vidljivog spektra prolazi kroz
kombinaciju bez promene pravca kretanja
Vrlo često se koriste i prizme konstantnog
otklona kao što je Abbeova (d)
One su napravljene tako da zrak koji pada pod
uglom najmanjeg otklona izlazi iz prizme uvek
normalno na upadni zrak
Sastoji se od dve prizme sa uglom skretanja od
30o i jedne prizme totalne refleksije i koriste
se kod monohromatora
Do sada je razmatrano kretanje zraka u ravni
glavnog preseka prizme
Međutim, na prizmu uvek pada širok svetlosni
snop, tako da svi zraci u opštem slučaju nisu
paralelni sa ravni glavnog zraka
Zbog različitog prelamanja prizme u dva
uzajamno normalna preseka javiće se
asigmatizam
DIFRAKCIONA OPTIČKA REŠETKA
Disperzioni elemenat kod koga se razlaganje
zračenja u spektar postiže posredstvom efekta
difrakcije upadne svetlostu i interferencije
difraktovanog zračenja
Postoje providne (transparentne) rešetke i
refleksione rešetke
Transparentne rešetke su staklene ploče kod
kojih se dijamantskim šiljkom urezuje niz linija
koje se nalaze na podjednakom rastojanju jedna
od druge
Širina ureza je približno jednaka talasnoj dužini
svetlosti iz spektralne oblasti koju rešetka
ralaže
Zbir širine ureza i rastojanje između dva ureza
je konstantna veličina i naziva se konstanta
rešetke d
Ako na rešetku pada paralelni monohromatski
snop zrčenja, ona će se na mestima gde se
nalaze urezi, svetlost difraktovati
Između ureza svetlost prolazi ne menjajući
pravac kao kroz svaku drugu tanku prozirnu
ploču
Pravac upadnog zračenja obeležićemo sa Po.
Od ureza levo i desno prostiru se po Hajgensovom
principu, sekundarni talasi u svim pravcima
Na slici je prikazan jedan od mogućih pravaca L1
koji sa upadnim zrakom zaklapa ugao 
Putna razlika između dva zraka a, dobija se
spuštanjem normale i za dva zraka koji polaze
od susednih ureza biće:
a  d  sin   n  
Braggova jednačina za difrakcionu rešetku
Ako je a  n   gde je n  1,2,3,... dolazi do
pojačavanja zrakova u datom pravcu, u
suprotnom dolazi do slabljenja amplitude talasa
Svi zraci koji se kreću u pravcu P1 obrazuju
spektar prvog reda, ako im je putna razlika
jednaka jednoj talasnoj dužini.
Slično se obrazuju i spektri II reda kada je
putna razlika dva susedna zraka jednaka
dvostrukoj talasnoj dužini
Direktan pravc L0 ima najveći intenzitet, a
zatim se sa obe strane simetrično ređaju pravci
II i III itd reda.
Ukoliko je red pravca veći utoliko je njegov
intenzitet manji
U pravcima između ovih linija svetlosti praktično
nema jer dolazi do slabljenja, odnosno
poništavanja amplitude talasa usled
interferencija
KONKAVNE OPTIČKE REŠETKE
Rowland je 1882. konstruisao konkavnu rešetku
koja je istovremeno bila i disperzioni elemenat i
uređaj za fokusiranje
S – izvor zračenja, Re-difrakciona rešetka,
FP – fotografska ploča, R-radijus krivine
rešetke, r-radijus Rowlandovog kruga
Iz razreza S, divergentni snop zraka pada
direktno na rešetku R, koja deluje kao
konkavno ogledalo.
Na njoj se nalazi niz ureza paralelnih sa
razrezom S.
Razmatranja teorije difrakcije na ovoj rešetki
su veoma složena, međutim u rezultatu ovog
razmatranja dolazi se do zaključka da će se
spektar koji daje konkavna rešetka obrazovati,
po obimu kruga na kome se nalaze razrez i
rešetka
Da bi se dobile oštre linije spektra potrebno je
da difrakciona rešetka ima dva puta veći
poluprečnik krivine od poluprečnika Rowlandovog
kruga, na koji je postavljena fotografska ploča
Nedostatak ove rešetke je dosta veliki
astigmatizam (lik je razvučen u pravcu ose)
REFLEKSIONE OPTIČKE REŠETKE
Refleksione rešetke se mnogo češće koriste u
optičim uređajima od transparentnih
Refleksione rešetke mogu biti ravne i konkavne
Kad paralelni snop zraka padne ne rešetku zraci
se odbijaju u svim pravcima jer strane ureza
nisu glatke
Po je pravac odbijene svetlosti i za njega važe
zakoni odbijanja svetlosti (upadni ugao jednak je
odbojnom)
Odbijeni zraci podležu interferenciji pa će se
zraci prostirati samo u određenim pravcima
I, II itd. reda
Karakteristično je da kod spektara dobijenih
rešetkom red boja dobijen razlaganjem bele
svetlosti je obrnut od onih dobijenih prizmom
Kod prizme crveni zraci najmanje skreću a kod
rešetke najviše
Spektar rešetke ima linearnu zavisnost ugla
skretanja od talasne dužine
Druga karakteristika po kojoj se spektar optičke
rešetke pazlikuje od spektra prizme je linearna
zavisnost ugla skretanja od talasne dužine, jer
je ugao skretanja direktno srazmeran talasnoj
dužini.