spectroscopie uv-vis si ir cu aplicatii biomedicalestef/spectroscopie/curs01.pdf · terea...

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 14 | Decembrie | 2017

Cursul 1

Introducere

Prezentul curs este adresat student, ilor de la la Facultatea de Fizica a Universitat, ii de Vest dinTimis,oara, specializarea Fizica. Cursul se ıntinde pe 14 saptamani s, i este alcatuit din doua orede curs pe saptamana s, i doua ore de laborator practic. Conform Regulamentul privind activitateaprofesionala a student,ilor de la ciclurile de licent,a s, i masterat la Universitatea de Vest din Timis,oaraprezent,a la laboratorul aferent disciplinei trebuie sa fie de 100%. Pentru o buna ınt,elegere s, i apro-fundare a cursului sunt necesare 22 de ore de studiu dupa prezentul suport de curs la care se maipot adauga referint,ele bibliografice de mai jos s, i notit,ele marginale de la orele de curs s, i laborator.Desigur, cunos,tint,ele dobandite la cursurile Fizica Atomului s, i Moleculei s, i Optica sunt foarte impor-tante s, i constituie baza pe care se construies,te cont, inutul prezentului curs al carui obiectiv generaleste ca student, ii sa identifice not, iunile s, i fenomenele specifice disciplinei ıntr-un context dat, s, i saaplice aceste cunos,tint,e ın analiza s, i prelucrarea de date experimentale din domeniul spectroscopieioptice s, i laserilor. Competent,ele specificie sunt urmatoarele:

• student, ii sa defineasca not, iunile specifice s, i sa descrie fenomenele proprii acestei discipline;

• student, ii sa utilizeze corect aparatura de laborator pentru a efectua masuratori;

• student, ii sa prelucreze datele experimentale utilizand pachete software s, i sa interpreteze corectrezultatele experimentale;

• student, ii sa ıs, i dezvolte capacitatiea de organizare s, i investigare;

• student, ii sa ıs, i dezvolte spiritul muncii ın echipa.;

• student, ii sa aprecieze s, i sa cultive un mediu s,tiint, ific bazat pe valori s, i calitate.

Aceste obiective sunt generatoare a urmatoarelor competent,e profesionale:

1. identificarea s, i utilizarea adecvata a principalelor legi s, i principii fizice specifice disciplinei ıntr-uncontext dat (2 credite);

2. utilizarea de pachete software pentru analiza si prelucrarea de date (1 credit);

3. rezolvarea problemelor de fizica ın conditii impuse, folosind metode numerice si statistice (2credite).

Printre competent,ele specifice disciplinei se pot aminti:

• cunoasterea metodelor de analiza si a criteriilor de alegere a solutiilor adecvate pentru atingereaperformantelor specificate;

• aprecierea comparativa a rezultatelor teoretice oferite de literatura de specialitate si ale unuiexperiment realizat ın cadrul unui proiect professional;

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 15 februarie 2017 1


• deducerea de formule de lucru pentru calcule cu marimi fizice utilizand adecvat principiile silegile fizicii;

• descrierea sistemelor fizice, folosind teorii si instrumente specifice (modele experimentale si teo-retice, algoritmi, scheme etc.);

• explicarea si interpretarea fenomenelor fizice prin formularea de ipoteze si operationalizareaconceptelor cheie si utilizarea adecvata a aparaturii de laborator;

• aplicarea corecta a metodelor de analiza si a criteriilor de alegere a solutiilor adecvate pentruatingerea performantelor specificate;

• aplicarea principiilor si legilor fizicii ın rezolvarea de probleme teoretice sau practice, ın conditiide asistenta calificata;

• executarea cu responsabilitate a unor sarcini de munca independenta si de abordare interdisci-plinara a unor subiecte;

• utilizarea eficienta a surselor informationale si a resurselor de comunicare si formare profesionalaasistata (portaluri Internet, aplicatii software de specialitate, baze de date, cursuri on-line etc.)atat in limba romana cat si intr-o limba de circulatie internat, ionala.

Not, iunile teoretice pot fi dobandite folosind Notit,ele de curs care se gasesc la adresa:

https://physics.uvt.ro/stef/spectroscopie/

s, i referint,ele bibliografice prezentate mai jos, iar cele practice se dobandesc ın cadrul activitat, ilor delaborator. In tabelul (1) sunt prezentate titlurile lucrarilor practice desfas,urate ın cadrul laboratorului.

Bibliografia completa aferenta cursului Bazele spectroscopiei s, i laserilor este urmatoarea:

[1] M. S, tef, Notit,e de curs, https://physics.uvt.ro/stef/spectroscopie/

[2] 1. N. M. Avram, ”Fizica Atomului si Moleculei”, Editura Universitat, ii de Vest din Timisoara,Timis,oara 1986;

[3] B. H. Brandsen, C. J. Joachain, ”Fizica atomului s, i a moleculei”, Editura Tehnica, Bucures,ti, 1998;

[4] N.M. Avram, M. Prosteanu, “Bazele spectroscopiei s, i laserilor”, Editura Universitat, ii de Vest dinTimisoara, Timis,oara, 1989;

[5] Peter F. Bernath, “Spectra of Atoms and Molecules”, Oxford University Press, 1995;

[6] W. Demtroder, ”Laser Spectroscopy. Basic Concept and Instrumentation”, Springer, Berlin, 1988;

[7] Josesph R. Lakowicz, “Principles of Fluorescence Spectroscopy”, Springer, 200;

[8] Fuxi Gan, ”Laser Materials”, World Scientific Publishing Co. Pte, Ltd., 1995;

[9] J.G. Sole, L.E. Bausa, D. Jaque, “An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids”,John Wiley & Sons Ltd., England, 2005;

[10] N.V. Tkachenko, “Optical Spectroscopy. Methods and Instrumentation”, Elsevier, Amsterdam,Boston 2006.

In ceea ce prives,te evaluarea, standardul minim de performant, a impus pentru a obt, ine nota 5 ılreprezinta cunoas,terea terminologiei de baza din domeniul spectroscopiei optice, elaborarea de catrestudent, i a unui referat de laborator prin identificarea si utilizarea principalelor legi si principii fizicedintr-un context (problema) reala, interpretarea rezultatele unor masuratori experimentale sau calcule



Tabela 1: Cont, inutul laboratorului de Spectroscopie UV-VIS s, i IR cu aplicat, ii biomedicale / Opticalspectroscopy of advanced materials.

Lab. 1 Instrumente optice folosite in spectroscopie. Protect, ia muncii.Lab. 2 Cristalul de CaF2. Obt, inere. Prorprietat, i fizice s, i chimice. Modelarea structurii cristaline

ın programul Diamond. Elemente de simetrie. Modelarea doparii cu ioni monovalent, i, bivalent, is, i trivalent, i a ret,elei de CaF2. Inregistrarea spectrului de absorbt, ie ın domeniul UV-VIS.

Lab. 3 Cristalul de CaF2:YbF3. Obt, inere Inregistrarea spectrelor de absorbt, ie ın domeniulUV-VIS-IR pentru 4 concentrat, ii diferite de YbF3. Prelucrarea spectrelor s, i aducerea lalinia de baza. Exprimarea spectrelor ın coeficient de absorbt, ie (aplicarea legii Beer-Lambert)s, i compararea lor. Identificarea benzilor de absorbt, ie. Influent,a concentrat, iei de YbF3

asupra benzilor de absorbt, ie obt, inute din descompunerea Gaussiana (ın Origin).Lab. 4 Cristalul de CaF2:YbF3.Transforarea spectrelor ın sect, iune eficace de absorbt, ie (Fedorov)

s, i compararea lor. Studiul conversiei Yb3+/Yb2+. Descompunerea Gaussiana a spectrelorde absorbt, ie ale celor 4 probe cu concentrat, ii diferite de YbF3 s, i asociarea benzilor deabsorbt, ie cu diferitele simetrii de pozit, ie folosind literatura de specialitate.

Lab. 5 Cristalul de CaF2:YbF3. Construirea diagramei de nivele energetice pentru ionul de Yb3+

ın diferite simetrii s, i pentru ionul de Yb2+. Discut, ii asupra rezultatelor obt, inute s, iconcluzii.

Lab. 6 Cristalul de CaF2:YbF3. Inregistrarea spectrelor de emisie ın domeniul UV-VIS pentru celepatru concentrat, ii de YbF3 excitate ın toate benzile de absorbt, ie, aducerea la linia de bazas, i compararea spectrelor obt, inute.

Lab. 7 Cristalul de CaF2:YbF3. Descompunerea Gaussiana a benzilor de emisie obt, inute. Calculareadeplasarilor Stokes pentru toate excitarile. Explicarea deplasarii Stokes anomale pentru ionul deYb2+ (Dorenbos).

Lab. 8 Cristalul de CaF2:YbF3 .Inregistrarea spectrelor de excitat, ie ın toate benzile de emisiepentru cristalul cu emisia cea mai intensa. Reprezentarea schematica a mecanismului de emisie.Concluzii finale.

Lab. 9 Cristalul de CaF2:ErF3 .Inregistrarea spectrelor de absorbt, ie ın domeniul UV-VIS s, i IRpentru CaF2 dopata cu 4 concentrat, ii diferite de ErF3.

Lab.10 Cristalul de CaF2:ErF3. Prelucrarea spectrelor s, i aducerea la linia de baza. Exprimareaspectrelor ın coeficient de absorbt, ie (Beer-Lambert) s, i compararea lor. Influent,a concentrat, ieide ErF3 asupra intensitat, ii benzilor de absorbt, ie observate.

Lab.11 Cristalul de CaF2:ErF3. Exprimarea spectrelor ın sect, iune eficace de absorbt, ie (folosireaprobei etalon de 0,12 mol% ErF3) s, i compararea lor. Descompunerea Gaussiana a benzilor deabsorbt, ie. Identificarea s, i asocierea benzilor de absorbt, ie.

Lab.12 Cristalul de CaF2:ErF3 .Inregistrarea spectrelor de emisie UV-VIS pentru cele patru probeanalizate excitate ın benzile de absorbt, ie corespunzatoare. Prelucrarea spectrelor (aducerea lalinia de baza) s, i compararea lor.

Lab.13 Cristalul de CaF2:ErF3. Inregistrea spectrelor de excitat, ie pentru proba cu emisia ceamai intensa s, i compararea cu spectrele de emisie obt, inute. Trasarea diagramei de niveleenergetice a ionului de Er3+ ın cristalul de CaF2. Concluzt, ii generale.

Lab.14 S, edint, a de recuperare.

teoretice, prin utilizarea unor metode numerice sau statistice adecvate. Nota finala la examen estecompusa din nota la examenul scris cu o pondere de 70% s, i nota obt, inuta ın urma evaluarii activitat, iisaptamanale de laborator cu o pondere de 30%. Examenul scris se ıntinde pe 2 ore s, i consta din8 ıntrebari simple cotate cu 0,5 puncte s, i doua subiecte de tratat, fiecare cotat cu cate 3 puncte.Tematica pentru examen va fi furnizata student, ilor la ultima ora curs.



Scurt istoric al Spectroscopiei optice

S, tiint,a cunoscuta sub numele de spectroscopie este o ramura a fizicii care se ocupa cu studiul radiat, ieiabsorbita, reflectata, emisa sau ımpras,tiata de un corp. Des, i termenul de radiat, ie se refera doarla fotoni (care cuantifica radiat, ia electromagnetica), spectroscopia studiaza s, i interact, iunile dintrefotoni s, i alte tipuri de particule, cum ar fi neutronii, electronii, proptonii sau fononii. Prin urmare,exista o diversitate de tipuri de spectroscopii care s-ar putea clasifica ın funct, ie de radiat, ia folositas, i/sau de starea de agregare a materiei (solid, lichid, gaz sau plasma) care interact, ioneaza cu aceastaradiat, ie. Dezvoltarea tot mai mare a tehnologiilor existente, dar s, i aparit, ia de noi tehnologii conducela o ımbunatat, ire continua tehnicilor de analiza spectroscopica a materiei. Cu toate acestea, diferiteletipuri de spectroscopii s, i tehnicile legate de acestea is, i au bazele ın fenomene fizice fundamentale legatede absorbt,tia, reflexia, emisia sau ımpras,tierea radiat, iei de catre materie ıntr-un anumit domeniu delungimi de unda ın anumite condit, ii.

Din punct de vedere istoric, spectroscopia se nas,te in sec. al VII-lea ın urma celebrului experimentrealizat de Isaac Newton s, i publicat ın anul 1672, experiment ın care Newton a observat ca luminaprovenita de la soare cont, ine toate culorile curcubeului cu lungimi de unda care acopera ıntregulspectru vizibil (de la aproximativ 390 nm pana la 780 nm). Newton este cel care a introdus pentruprima data not, iunea de spectru. La ınceputul secolului al IX-lea, domeniul spectral a fost extins odatacu descoperirea unor noi tipuri de radiat, ii electromagnetice din afara domeniului vizibil: radiat, iainfraros, ie (IR) de catre Herschel (1800) la capatul spectrului vizibil corespunzator lungimilor de undamari, s, i radiat, ia ultravioleta (UV) descoperita de catre Ritter (1801) la capatul lungimilor de undamici al spectrului vizibil (VIS). Ambele domenii spectrale descoperite sunt ın prezent de o important, amajora, fiind de interes ın diferite domenii ale s,tiint,ei s, i tehnicii (fizica mediului, comunicat, ii, medicina,etc.).

Dezvoltarea tot mai accentuata a spectrofotometrelor ın prima jumatate a secolului al IX-lea a permisınregistrarea a numeroase spectre, cum ar fi cele produse de flacara, contribuind totodata la identi-ficarea a tot mai multe linii spectrale ca urmare a descarcarilor electrice ın gazele atomice. Odatacu descoperirea ret,elelor de difract, ie, s-au putut studia ın detaliu spectrele complicate ale gazelormoleculare, astfel ıncat s-au pus ın evident, a noi serii de linii spectrale s, i s-au observat pentru primadata caracteristicile de structura fina ale sistemelor atomice (atomi, ioni, molecule). Toate acesteaau constituit un pas important ın dezvoltarea ulterioara a spectroscopiei optice. In toata aceastaperioada s-au ınregistrat numeroase spectre, ınsa interpretarea acestora de cele mai multe ori a fostlipsita de sens fizic pana ın anul 1913 cand fizicianul danez Niels Bohr a elaborat o teorie relativ simplace a permis explicarea spectrului atomului de hidrogen ınregistrat prima data de J.J. Balmer (1885).Teoria lui Bohr a avut o mare contribut, ie ın dezvoltarea ulterioara a mecanicii cuantice constituind unprim pas fundamental ın int,elegerea s, i interpretarea spectrelor atomilor s, i moleculelor ın vederea sta-bilirii structurii electronice, respectiv atomice ale acestora. Spre deosebire de lichide s, i gaze, unitat, ilestructurale ale solidelor (atomi sau ioni) prezinta o aranjare spat, iala periodica pe distant,e mari (ıncazul cristalelor) sau o aranjare periodica pe distant,e mici (ın cazul sticlelor). Acest aspect conferacaracteristici particulare ın ceea ce prives,te tehnicile spectroscopice folosite pentru studierea solidelorconducand ın cele din urma la aparit, ia spectroscopiei starii solide. In cele ce urmeaza vor fi prezentatenot, iunile fundamentale cu care opereaza principalele tipuri de spectroscopii.

Spectroscopia optica

In fiecare secunda suntem supus, i act, iunii diferitelor tipuri de radiat, ii electromagnetice, de la radiat, iide frecvent, a joasa generate de circuitele de curent alternativ (≈ 50 Hz) pana la radiat, ii γ (cu frecvent,e



de pana la 1022 Hz). Aceste tipuri de radiat, ii sunt clasificate ın funct, ie de spectrul electromagnetic(figura (1)) care cuprinde ıntregul domeniu de frecvent,e ment, ionat.

Figura 1: Spectrul electromagnetic cu diferitele surse microscopice de excitare s, i tipurile de spectro-scopii asociate diferitelor domenii spectrale.

Spectrul electromagnetic este ımpart, it ın s,apte domenii spectrale: undele radio, microundele, luminainfraros, ie, vizibila s, i ultravioleta, razele X (sau Roentgen) s, i raze γ. Toate aceste radiat, ii au ın comunfaptul ca se propaga prin spat, iu sub forma de unde electromagnetice transversale cu aceeas, i viteza,c ≈ 3× 108 m/s, ın vid. 1

Diferitele domenii spectrale ale spectrului electromagnetic difera ıntre ele prin lungimea de unda saufrecvent, a, fapt ce conduce la diferent,e mari ın ceea ce prives,te generarea, detectarea s, i interact, iuneacu materia a radiat, iilor de diferite lungimi de unda. Limitele dintre diferitele domenii spectrale suntfixate convent, ional, deoarece nu exista o discontinuitate a fenomenelor fizice implicate care sa permitao separare clara a domeniilor spectrale. Fiecare tip de radiat, ie electromagnetica este descrisa, deobicei, prin frecvent,a sa (ν), lungimea de unda (λ), energia fotonilor (E) sau prin numarul de unda(ν). Aceste marimi sunt legate ıntre ele prin bine-cunoscuta ecuat, ie:

E = hν =hc

λ= hcν (1)

unde h = 6, 626× 10−34 J · s este constanta lui Planck.

Tehnicile folosite ın spectroscopia optica opereaza pe domenii limitate de lungimi de unda ın funct, ie deprocesele fizice implicate s, i de valorile energiei asociate acestor procese. In figura (1) sunt prezentateentitat, ile microscopice afectate de de un anumit tip excitat, ie s, i metodele spectroscopice relevantefolosite pentru fiecare domeniu spectral.

In tehnicile care utilizeaza rezonant,a magnetica (RMN s, i RPE) pentru a induce tranzit, ii ıntre diferitelestari cuantice ale spinului nucleului (Rezonant,a Magnetica Nucleara) sau ale spinilor electronici(Rezonant,a Paramagnetica Electronica) se folosesc radiat, ii din domeniul microundelor. Separareaenergetica ıntre diferitele stari de spin nuclear sau electronic se obt, ine prin excitarea sistemelor atom-ice (atomi, ioni, molecule) cu radiat, ii din domeniul microundelor s, i poate fi modificata prin aplicarea

1Valoarea actuala pentru viteza luminii ın vid este: c = 2, 99792458× 108 m/s.



unui camp magnetic. Tranzit, iile de tip RMN se obt, in prin excitarea cu fotoni de frecvent, a de aprox-imativ 108 Hz, iar pentru inducerea tranzit, iilor de prin RPE este nevoie de excitare la frecvent,e maimari, de ordinul 1010 Hz. In ambele tehnici spectroscopice, frecvent,a este constanta s, i se variazacampul magnetic pana se obt, ine condit, ia de rezonant, a. Aceste tehnici sunt de o mare important, a ınstudiul structurilor moleculare (RMN), respectiv ın studiul simetriei de pozit, ie a ionilor paramagneticidopat, i ın cristale (RPE).

Este cunoscut faptul ca atomii ın solide vibreaza la frecvent,e de aproximativ 1012− 1013 Hz. Prin ur-mare, modurile de vibrat, ie pot fi excitate prin iradierea cu fotoni din acest domeniu de frecvent,e, adicafolosind radiat, ia infraros, ie. Cele mai relevante tehnici spectroscopice folosite pentru studierea mod-urilor de vibrat, ie ale moleculelor s, i solidelor sunt ımpras,tierea Raman s, i absorbt, ia IR, fiind foarte utilela identificarea tipurilor de complexe moleculare ın diferite materiale s, i la caracterizarea modificarilorstructurale ın cristale.

Nivelele energetice electronice sunt separate printr-un domeniu larg de valori ale energiei. Electroniide pe ultimul strat pot efectua tranzit, ii ıntr-un domeniu larg de energie de 1÷ 6 eV. Aces,ti electronisunt numit, i, de obicei, electroni de valent,a s, i pot fi excitat, i cu radiat, ie din domeniul ultraviolet (UV)apropiat, vizibil (VIS) sau infraros,u (IR) apropiat pe un domeniu de lungimi de unda de la 200 nmla aproximativ 3000 nm. Acest domeniu de lungimi de unda este denumit domeniu optic s, i a datnas,tere spectroscopiei optice. Electronii de valent, a sunt responsabili de proprietat, ile fizice s, i chimiceale materialelor, cum ar fi de exemplu, formarea moleculelor s, i a solidelor.

Limitarea investigarilor spectroscopice ale materiei ın cazul lungimilor de unda mici (UV) a domeniuluioptic este impusa atat de instrumentele de masura (spectrofotometrele existente nu opereaza, de obicei,la lungimi de unda mai mici de 200 nm) cat s, i de ecuat, iile Maxwell macroscopice deduse pentru cazulmediilor continue (care presupun ca exista un numar suficient de mare de ioni ın volumul λ3), ıntimp ce limitarea ın cazul lungimilor de unda mari (IR) a domeniului optic este impusa doar deinstrumentele optice de masura.

Electronii aflat, i pe nivelele energetice inferioare sunt, de obicei, excitat, i cu raze X. Atomii au spectrede absorbt, ie s, i emisie de raze X caracteristice datorita unei varietat, i de procese de ionizare posibile dars, i a posibilelor tranzit, ii ıntre nivelele energetice inferioare ale atomilor. Doua dintre cele mai relevantetehnici de investigare a absorbt, iei razelor X, ce utilizeaza radiat, ia de sincrotron, sunt: absorbt, ia deraze X pe structuri fine (AXSF) s, i absorbtia extinsa de raze X pe structuri fine (AEXSF), fiind foarteutile la studiul cristalelor. O alta tehnica analitica importanta este fluorescent,a de raze X (FRX).

Razele γ sunt folosite ın spectroscopia Mossbauer. In anumite privint,e acest tip de spectroscopie estesimilara cu spectroscopia RMN, deoarece vizeaza tranzit, iile nucleului atomic s, i ne da informat, ii desprestarea de oxidare, numarul de coordinat, ie s, i caracterul legaturilor chimice ale ionilor radioactivi ınsolide.

In continuare ne vom ındrepta atent, ia asupra spectroscopiei optice a solidelor. Daca o proba solidaeste iluminata cu un fascicul de lumina2 de intensitate I0, se observa ca intensitatea acestui fasciculeste atenuata dupa ce a traversat proba, adica intensitatea It a fasciculului transmis este mai micadecat I0. Procesele care contribuie la diminuarea fasciculului incident sunt urmatoarele:

• Absorbt,ia, daca energia fotonilor incident, i este egala cu diferent,a dintre energia unei starii ex-citate (E1) s, i cea a starii fundamentale (E0) a atomilor din solid (hν = E1 − E0). O parte dinintensitatea fasciculului absorbit este, ın general, emis (de obicei la frecvent,e mai mici decat ceaa fasciculului incident) s, i da nas,tere unei emisii de intensitate Ie. Cealalta parte a intensitat, iifasciculului absorbit se pierde prin procese neradiative (ıncalzirea cristalului).

• Reflexia, de intensitate IR, pe suprafet,ele solidului.2Prin termenul de lumina se int,elege nu doar radiat, ia din domeniul vizibil, ci include s, i radiat, ia UV s, i IR care face

parte din domeniul optic.



• Impras, tierea, caracterizata de intensitatea IS , datorata proceselor de ciocnire elastica (la aceeas, ifrecvent, a cu cea a fasciculului incident) sau inelastica (la frecvent,e mai mici sau mai maridecat cea a fasciculului incident, numita impras,tiere Raman) dintre fotonii radiat, iei incidente s, isistemele atomice.

Figura 2: Diferitele posibilitat, i de diminuare a intensitat, ii radiat, iei fasciculului incident de catre unsolid.

Figura (2) prezinta posibilele fascicule emergente ın urma interact, iunii unui solid cu o radiat, ie deintensitate I0. Aceste fascicule emergente apar ca rezultat al interact, iunii luminii incidente cu atomiis, i/sau defectele din cristal: o parte din fasciculul incident este reflectat ınapoi fiind caracterizat deintensitatea IR, ın timp ce fasciculul emis (de intensitate Ie) s, i/sau impras,tiat (de intensitate IS) estedisipat ın toate direct, iile (figura (2)).

Spectroscopia optica (absorbt, ia, luminescent,a, reflexia s, i ımpras,tierea Raman) studiaza frecvent,a s, iintensitatea fasciculelor emergente ın funct, ie de frecvent,a s, i intensitatea fasciculului incident. Cuajutorul spectroscopiei optice, putem ınt,elege culoarea unui obiect s, i cum depinde aceasta culoarede procesele de emisie, reflexie s, i transmisie a luminii de catre obiect t, inand cont de sensibilitateaochiului uman la diferitele culori. Domeniile spectrale (domeniile de lungimi de unda, de frecvent, asau de energie ale fotonilor) corespunzatoare fiecarei culori pentru un ochi normal sunt date ın tabelul(2).

Tabela 2: Domeniile spectrale asociate diferitelor culori receptate de ochiul uman.Culoarea λ (nm) ν (×1014 Hz) E (eV)Violet 390-455 7,69-6,59 3,18-2,73Albastru 455-492 6,59-6,10 2,73-2,52Verde 492-577 6,10-5,20 2,52-2,15Galben 577-597 5,20-5,03 2,15-2,08Portocaliu 597-622 5,03-4,82 2,08-1,99Ros,u 622-780 4,82-3,84 1,99-1,59

Exemplu: Percept,ia culorilor de catre ochiul uman.

Imaginea vizuala rezulta din semnalele transmise creierului de cei aproximativ 125 de milioane desenzori localizat, i pe retina. Aces,ti fotoreceptori sunt format, i din doua tipuri de celule: celule cu cons, i celule cu bastonas,e. Celulele cu con sunt folosite pentru lumina diurna (din timpul zilei); acest modde vedere este numit vedere fotopica. Bastonas,ele sunt folosite pentru vederea nocturna, iar acest tipde vedere poarta numele de vedere scotopica.

Spectroscopia optica reprezinta o excelenta unealta cu ajutorul careia putem obt, ine informat, ii desprestructura electronica s, i simetria de pozit, ie a sistemelor atomice (atomi, ioni, molecule, defecte, etc.)care absorb sau emit radiat, ie. Cu alte cuvinte, spectroscopia optica ne permite sa privim ın interiorul



solidelor prin analizarea luminii care provine de la acestea.

Spectrele se reprezinta grafic avand pe ordonata intensitatea radiat, iei (absorbita, emisa, reflectata sauımpras,tiata), iar pe abscisa energia fotonului (ın eV), lungimea de unda (ın nm) sau numarul de unda(ın cm−1). Cu ecuat, ia (1) putem exprima aceste marimi unele ın funct, ie de altele:

E (eV) =1240λ (nm)

= 1, 24× 10−4ν (cm−1) (2)

sau

ν (cm−1) =107

λ (nm)= 8064, 5 (eV). (3)

Figura 3: Sensibilitatea ochiului pentru vederea fotopica (conuri), respectiv scotopica (bastonas,e).Saget, ile indica lugimile de unda corespunzatoare maximului de sensibilitate.

In cazul calculelor spectroscopice, pentru a estima interact, iunea dintre radiat, ie s, i materie se pot folositrei aproximat, ii diferite:

• aproximat,ia clasica, ın care radiat, ia electromagnetica este descrisa de unda electromagneticaclasica, iar solidul este descris ca un mediu continuu caracterizat de constanta dielectrica relativaε s, i/sau permeabilitatea magnetica µ. Interact, iunea dintre radiat, ie s, i sistemul atomic poate fidescrisa folosind modelul oscilatorului clasic (oscilatorul Lorentz).

• aproximat,ia semiclasica, ın care solidul este descris folosind metodele mecanicii cuantice, ın timpce propagarea radiat, iei se trateaza clasic. In acest caz, modelul clasic al oscilatorului Lorentz semodifica t, inandu-se cont de faptul ca solidul poate absorbi sau emite energie numai sub formade cuante bine definite.

• aproximat,ia cuantica, ın care radiat, ia nu mai este tratata clasic (adica, folosind ecuat, iile luiMaxwell), ci atat radiat, ia cat s, i materia sunt descrise folosind metodele mecanicii cuantice. Inmulte cazuri aceasta aproximat, ie nu este necesara, totus, i, utilizarea acestei aproximat, ii conducela ınt,elegerea unor aspecte importante ale spectrelor solidelor, cum ar fi studiul fluctuat, iilor dezero, care sunt relevante ın teoria laserilor.


spectroscopie uv-vis si ir cu aplicatii biomedicalestef/spectroscopie/curs01.pdf · terea...

Documents