Мальцев-ИК-спектроскопия (Практикум по оптике)

ель о в ие боты -19- В отчет о прсделанпсй работе входят: 11 Фотопластинке с зачетным спектром 2) Результаты измерения спектров (таб.2) 3) Тзблепа Лвландера 4) Результаты расчетов молекулярных постоянных (тзб.З) Я~..~„„„,Д ~.а.~ Робо~а )К В Изучеиме работы имфракрасного спвктроротометра Келью данкой лабораторной работы являетвя изучвяив казкачекмя, принципа работм и оснозяых характеристик ккфракраоксго спектрофотометра; окредвление показателя преломления и толщиим топких мелопоглощеющих плекок по мктвр$ерекпкоыной картике, иаблюдаемой в ИК-области. йппайатура ИК-опектройотометр ИКС-14 или ИКС-22.

Кювета с регулкрувмми зазором. Иийракраокая ~ИК-) спектроскопия - раздел спектроскопии,' изучаюций получение, исследование и прикамские сгектров иоцускания, поглощения и отраиения в ИК-области спектра, которая лазит изиду краской областью видимой части злектромагнкткмх волн и короткозолковми радиоизлучекивм. ИК-область ломит з диапазоне длмк колк от О,ТФ мкм до 1-2 мм к делится иа оледуюцие иодйиапазонмг бликляя ИК-область о длинами воли 0,74.~- 2,5 мкм средияя — " - - " - 2,5 - 30 икм далекая - " - - " — 50.. - 2000 мкм умиейчатмв ИК-опектрм имеют атоиарков происхоидвние и ооответотвуют определекнкм злвктроккмм переходам. Так, в стопе водорода ИК-оерия Калека ооотввтствует переходам ма 5-й уровень, оеркя Врекквта « ка чвтьвртмй.

Полосатме ИК-спектры связаим о молекуляркмми переходемк. Излучение при колебаниях ионов л кристаллической реиеткв такие мелит в ИК-области. В ИК-облаоти располозеко больмакство колебетвльккх и вра' щательяых спектров молекул. В таких случаях поглоцекие ИК-лучей косит селвкнвный характер, что приладит к обраеозакми в спектре полос поглощеимя. Предлогом изучения в таком случае я влявтоя ИК-спектр по которому определяется число полоо поб глощенкя; их полоиекие и спектре, задаваемое частотой (ли о длиной волны, либо волновым числом); форма полос; велкчнка поглощения - все зтк параметры завкснт ож природы поглощающего вещества. Изучение колебательно-вращажекьных ы чисто враща*ельных спектров методами ИК-спектроскопны позволяет опредепять с*рукжуру молекул, ых химический состав, моыонжы внерпиы молекул, внутрммслекулярные силы к др.

Вследотвые однозначности связи меыду строением молекулы ы ее молекувярвмм спектром ИК-спектры широко используются для качественного ы количественного аналнза молекулярных смесей (ИК-спектр иногда называют дане "визитной карточной молекулы"). Изменения в ИК- ' спектрах, происходящие при воздействии на излучаемое вещество контролируемых факторов (температуры, девленкя, злектрмческнх к магнитных полей), яозвокяют суднть о характере ыекмолекупярных взаимодействий. ИК-спекжроокопия прнменяетая такые пры нооледоваккн твердотелььыт полупроводниковых материалов, полимеров ы биологических объектов.

Так, в наыменее изученной - далекой ИК-области - пенат чаожоты колебанмй крноталкнческкх решеток позупро водников. Работа ИК-спекжромежров опвраежся на основные законы фнзыки, описывающие выпученна, распроотраненые ы взаныодейстзне злектромегкитного нзлучевкя о веществом. Современные приборы используют досжыкеныя кезермой техннкк Данная лабораторная работа имеет пенью ознекомпенне о прннпипамя рабожм ваибонее просжмх ИК-спектрофотокетров; выяснение назначения, взевмодейсжвыя н фызмяескпх оонов дейотвкя ооновяих узлов прибора на основе знання основных фывнческкх законов ы предотавкеннй.

часто характернзуютсн регулярным чередованием максимумов и мыннмумов поглощения. Этм максимумы имеют кнтерференпконную природу к' усложняют расшифровку спектров. С другой стороны, кнтерференпиокная картина позволяет определять тонщкну пленен, ее оптическую плотность (показатель прелсмлення) нлн толщину оптической кюветы. Возмонкость такого опредеденин полностью основана на знании физических закономерностей прн ннтерференпии.

Рассмотрим сначала основные понятия. ПктерЧереицией называют велокенке волн, приводящее к образованию устойчивой во времени интерференционной картины чередования в пространстве максимумов н минимумов интенсивности. Для того, чтобы картине была устойчивой, волны долнны быть иогерентнымн,т.е. иметь одинаковую частоту ы постоянный, не зависящий ст времени сдвиг фаз.

Классические способы понучення когерентных воли оскояеыы на раздвоенны одыого луча за счет отракения нли прекомлекня. Прк етом, еотественно, сохраняется частота волн, а фаза "двойников" меняется синхронно, что делает неизыекныы фазовый сдвиг. На рнс.1 показана схема получения когерентных яучей с помощью тоыкой плеыки в отрекенком (1-а) к проходящем (1-б) окоте. (Под терынном "свеж" мы будем подразумевать зяектромагнктные лучи, в том числе и инфракрасные). Ддя мзученвя работы ИК-спектрсфожонетра ыеобхбдымо прочитать книгу й.й.йакьпева мйопекувярнак спектроокопвя", издательство МГу /1/, Посяедушщее выполненно данной работы потребует зкакомотва о разделом 1 йй 1 2, рввделоы П йй 1-3, 15-19 в контрольныыы вопросами.

ИК-опектры, полученные прк мссдедовевнм жовкнх пывыок ылы о ыопользованыем пышет о майны зазором мазду отенкамв, Рве. 1. Как видно нз рксунка, раздвоенно исходного луча связано с его отраненкем от верхней н нкхкей гранин пленкн, играющих роль честкчно прозрачных зеркак. Раль плеккк монет яграть зазор меыду греккпекк кювет, з ко*орую понещается нсследуеыое вещество, когда око кндкоа илк газообразное. установим теперь количественные закономерностн. уравнение плоской бегущей влектромагкяткой волин мозно ваписать в виде х 4уи с((( - — ) б Ф Э десь под Х мокко подразумевать капрякенкость влектрического клн магнитного поля, (которые однозначно овявакы мекку собой согласна теории Максвелла).

А - амплитуда волыы (т.е. ампли- туда напрякекыостк электрического или магнитного поля) и( « йч" — - круговая частота, (г - скорость распростракеыыя вок- ыы, б - расстояние, пройденное волной от источвика, С - те- кущее время. Если учесть, что длина волны ' А «(УТ, то уравкеаие вов- ки мокко ваписать в виде д зсм( (. - к(() где Х « — — « †-4« ~- ыазмвают волковым числом.. Примечаыке. В спектроскойыи часто вокыовым числом ыаеывают ве« личику 1 « л и камеряют ее в см 1 Велкчккы к и д свя- аакв кепку собой соотвоыекиеы к « — 4 .

Несмотря па сход- ство в обоваачеыяя*, ве следует путать вовксвое число р о частотой ) . Оки сввзекы меаду собой сооткоыеккем ) ° Сч , где С - скорость света в вакууме, Эолевио выписать еще выракекые для экергим кванта Е «Л4 «ЙС4 ыае вырааекме двух плоских когеректыых воли ыалокекке историк приведет к обравовакию иктерберекпконкой картакы е( х~ «Аь(л «)(( ~) хк«Дзьпи)(1- (як Эдесь учтеко, что вовек могут проходмть раэккчкые пути а(( ° с(к до точки валевская в раалмчкых средах со скоростями 1' У' 1 а 2 ° Двв простоты амплитуды вовы считаются ръвкымк. Ревуаьтируыщее колебание в точке каковская х =х,-х, = 2лсеу~~(-"--")з ю )Р ! Ф. -")1 Получекнае выракепке покааыьест, что в точке ыабвюденкя . промсходвт колебание электрического (и ыагыктыого) поля с круговой частотой с( и емплытудой, равной а =24СоУ 2 ф —,~~ ~й б() учтем, что оксорость света в среде с показателем преломления равна 'д - д .

Тогда а 24со5 гс Йй(чк-(((()() Здесь оуществеыко то, что емпвитуда резувьтирующего ковебакия вавысит от располоиения точки яаблюдевия. Ве кичиыа Ь 2 я 1 Ййп~-61и~ кавывается оптической раяаостью хода, В тех местах, где '(соб 2 в ~ 1,амплитуда колебаввй иакоиыалька. Это соо~ве~с~вует уоловию 6 «((1Ле , где Ю моиет быть любым целым числом ~и «О,Х1,т2,..., а )( «С давка вовам в вакууме. В тех местах, где собой О, колебаыкк гасят друг друга, Это соответствует условию Ь «(2(е(+ ~) Ле Таким сбравом 6 «(т("о (т(ах Ь «(2(у(+1) ф(т((.(( Эти уоковия являются общммы двя расчета любой ыитерйереациовщфй иартикы.

Пояскии эаписаккые условия о помощью рис.2 двя (1 « 1, Рис. 2» -23- ся оч- ВС ~~у„; ВС ВПй(иь гс(~р'5(У ( 2~спут' 26Й$~ 'Еце" со5г (~т Согласно ваиоиу прекомвенкя ВИЛ" Тогда Ь ~ ~.>~~, (л иМФ г) ~ 2Й1ссьг Танки обравои, есви 2с(пост~' м атас (1) то наблюдаются иытер$еренпнонные максимумы. Еслн ие 2 бл сеу г м (2 пт т 1) Ес то ыабкюдаются ннтероереыпконные ннннмумы. Если каблюдеыие ведетси прн нормальном падеыви кучей на плеыну ( соьге 1), то условие (1) упрощается 2 Ыл м гике мох 1е 2 дп " (2 Ф т Ц ~ ин л Еспв ве прв нормальном педеник кучей ынтерберенони происходит иа плосаопараллекьных гранях незаполненыой кюветы о вовдумкын променутком ( щ ю 1), то 2 с( ~ ю~Л с ю~од 2 д ~ (2ю1 + 1) — сюю ье (5) 2 Как ие проявляется натер(ь:ренами в ИК-спектре. Пусть дуч проходит нормально черен токкий образок толщмны д с покаамтекен преломления Л .

Условие интерберенпнснкых максимумов (2) мокыо написать и виде гбао -тЛ -— (4); (2) Прн небаюденкн в отренснном свете к правой части аолучеп- ИОВ (срмувм условно добанляется дополнительнак равность када , состистстнуюаая кэменанмю Еазн волны на оротинополои° 2 л. кую п~к отрывании, н тсг-.т '-РФаспй~ т -у х Запись спектра сопровокдается кзкепенкем дллкы волны, и для ' разных длил воли будут наблюдаться максимумы, соответствующие разным значениям хи (называемым порядком иктерферекпик). Мат; сммуны перемежаются мыкиыумами, определяемыми условием (2).

Таким образом, для максимумов кождому хю соответствует определекное апачепые Ф , определяемое условием (ч), Зная юх, А и показатель преломления и х мокко определить'токщику пленки С( . И наоборот, при известной толщине пленки д мокко найти показатель.преломлепия л На практкке положение осложняется тем, что певовмоико точно укааать порядок иптерфереппип, соотзетствующкй дапкоыу наблюдаемому максимуму.

Тем пе максе выход копет быть аайдем, ' если в условии (Ф) обратмть внимание па ливейкую вввискмость между т и 1 (если, кокечпо, отсутствует диоперсиоыкая ва висимость показателя преломления от длквы волам) ! ~**НИХ (5) Здесь видно, что оптическв» толщива плекки определяется паклопом графика завискмооти т от 9; Яля вовдуаыого вавора (ю 1) пч ейй (б) Заметим, что все расчеты велись в предполоаеики одкпаковой амплитуды двух ыктерферкруюыдх вола. При атом ыииимуиы соответствовели полпоиу гаиекию иолебапкй.