Optikai mérések műszeres analitikusok számára A fény tulajdonságai, bevezetés az optikába a szóbeli vizsga 3. tételéhez http://tp1957.atw.hu/mal_o_0.ppt

A tétel tartalma A műszeres analitika optikai módszereinek alapjai. Fénytani alapfogalmak műszeres analitikai alkalmazása – A fény kettős természete – A fény hullámtermészete, jellemzése – A fény felosztása hullámhossza alapján: az elektromágneses spektrum – A fény jellemző kölcsönhatásai az anyagi rendszerekkel – A fény mint energia – A fény polarizációja, a poláros fény tulajdonságai – A fény tulajdonságainak analitikai alkalmazása, az analitikai módszerek rövid felsorolása Kulcsszavak, fogalmak: – A fény meghatározása mint elektromágneses hullám, fényinterferencia, fénytörés – A fény meghatározása mint anyagi részecske, kölcsönhatás atomi rendszerekkel, fényelnyelés – A fény jellemzésének fogalmai: hullámhossz, frekvencia, sebesség (ezek közötti összefüggések, mértékegységeik) – Rezgéssík, aszimmetria-centrumot tartalmazó anyagok és a poláros fény kapcsolata – Analitikai módszerek: = refraktometria = polarimetria = UV-VIS és IR spektrofotometria

A fény A fény az elektromágneses sugárzások (más néven elektromágneses hullámok) egyike. A fény energia, ami más energiákból keletkezhet: hő-, elektromos, mechanikai (pl. dörzsölés), kémiai, stb. energiákból A fény kiemelt jelentősége két dologból ered: közvetlenül érzékeljük, látjuk, energiája akkora, ami az anyagok jelentős részében jól mérhető változást okoz. A következőkben először az elektromágneses sugárzá- sokról – általában – lesz szó.

Az elektromágneses sugárzások minőségi jellemzői Frekvencia: a másodpercenkénti rezgések száma jele f vagy  mértékegysége 1/s = s–1 = Hz = c/s = cps, ez közegtől független. Terjedési sebesség jele c, mértékegysége m/s. Az elektromágneses sugárzások terjedési sebessége vákuumban a fénysebesség: kb. 3 · 108 m/s. Ez az ismert legnagyobb sebesség, csak az elektromágneses hullámok képesek ilyen gyors terjedésre (mai ismereteink szerint). Más közegben (pl. víz, üveg) a sebesség kisebb ennél. Hullámhossz jele , mértékegysége m. Ez is függ a közegtől. A minőségi jellemzők összefüggése: c =  ·

Az elektromágneses sugárzások

Az elektromágneses spektrum 2. Forrás: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/EM_Spectrum_Properties_edit_hu.svg/675px-EM_Spectrum_Properties_edit_hu.svg.png

Az elektromágneses sugárzások kettős természete Az elektromágneses sugárzások eltérően viselkedhetnek: terjedéskor hullámként, keletkezéskor, anyaggal való kölcsönhatáskor, elnyelődéskor részecskeként. Terjedési jelenségek: visszaverődés, fénytörés, elhajlás, interferencia.

Az interferencia jelensége Az interferencia jelensége akkor jön létre, ha azonos pontból jövő fénysugarak találkoznak. Ha a fénysugarak azonos fázisban vannak erősítik egymást: + → Ha ellentétes fázisúak és egyenlő amplitúdójúak, kioltás jön létre: + →

Az elektromágneses sugárzás, mint részecske A fény ‒ és a többi elektromágneses sugárzás ‒ részecskéje a foton. Az egyetlen elemi részecske, ami biztosan m0 = 0 nyugalmi tömeggel rendelkezik, így fénysebességgel halad. Nyugalmi tömeg: a részecske tömege nyugalmi állapotban A foton, ha létezik, mozog. Energiája a frekvenciával arányos: h a Planck-állandó, értéke h = 6,626·10‒34 J·s = 4,136·10‒15 eV Tömege kizárólag az energiájából számítható, azzal egyenértékű (E = m·c2): Impulzusa:

Az elektromágneses sugárzás részecske természete A fény részecskeként is viselkedhet. Ennek bizonyítékai: Fotokémiai reakciók csak egy adott frekvencia feletti - illetve a megfelelő hullámhossz alatti - fény hatására mennek végbe. a) Pl. vörös fényben lehet filmet előhívni (hagyományos, ezüst-halogenid alapú fényképezés). b) Az ember bőrének barnulása is fotokémiai reakció, ehhez nem elegendő a látható vagy az IR fény energiája. A fényre hat a gravitáció: a csillagok fénye a nap közelé- ben elhajlik a nap felé; a „fekete lyuk” elnyeli a fényt. Fotoelektromos hatás: megfelelő energiájú fény elektronokat „lök ki” bizonyos fémek atomjaiból. Compton effektus: a röntgensugarak atomokon szóródnak, a szórt sugárzás nagyobb hullámhosszúságú, mint az eredeti volt.

Fotoelektromos hatás A folyamat energia mérlege: v A foton energiája = elektron kilépési munka + mozgási energia Ez a legérzékenyebb fénymérés alapja (PM)

A polarizált fény A közönséges (természetes) fény általában a terjedésre merőlegesen a tér minden irányában rezeg, nincs a rezgésnek kitüntetett iránya, rezgési síkja. A síkban polarizált fény csak egy irányban (síkban) rezeg. A polarizációs síkot egyes anyagok képesek elforgatni. polarizáló (függőleges) fénysugár függőlegesen polarizált fényhullám fényforrás Kép: http://www.physics.louisville.edu/cldavis/phys299/notes/lo_polarisation1.jpg

A fény tulajdonságainak analitikai alkalmazása Az analitikai módszerek rövid felsorolása: törésmutató mérése → refraktometria, optikai forgatás mérése → polarimetria, fénykibocsátás, fényvisszaverés, fényáteresztés, fényszórás hangkibocsátás mérése → fotoakusztikus mérés fotometria, spektrofotometria mérése →

Függelék – interferencia optikai rácson Optikai rács: egy sima felületen d távolságban párhuzamos barázdákat (karcolásokat) készítenek. A rácson átjutó fénysugarak találkoznak, erősítik vagy kioltják egymást (ld. előző dia). Képlet: →  a hullámhossz. Kép: https://www.mozaweb.hu/course/fizika_11/jpg_big/f11_086_1b.jpg

Függelék – a hullámhossz () mérése interferenciával Az interferencia jelensége lehetőséget teremt a hullámhossz mérésére. optikai rács, a karcok távolsága: d = 0,0033 mm vászon távolság: L = 300 mm pötty távolság: x = 59 mm Mennyi a ? Képlet: → x L