Lecture: 1

Electomagnetic Spectrum

The electromagnetic radiation covers a vast spectrum of frequencies and wavelengths. This includes the very energetic gamma-rays radiation with a wavelength range from 0.005 – 1.4 A to radiowaves in the wavelength range up to meters (exceedingly low energy). However, the region of interest to us in this course is rather a very limited range from 180-780 nm.

1

This limited range covers both ultraviolet and visible radiation.

2

General properties

Electromagnetic radiation

3

The electromagnetic radiation is looked at as sinusoidal waves which are composed of a combination of two fields. an electric field ( which we will use , in this course , to explain absorption and emission of radiation by analytes) and a magnetic field at right angle to the electric field ( which will be used to explain phenomena like nuclear magnetic resonance in the course of special topics in analytical chemistry offered to chemistry students only ) .

الكهرومغناطيسي وهذه : اإلشعاع بالفضاء تجري جيبية موجاتعمودي ) ( والمغناطيسي ومغناطيسي كهربائي مجالين عن عبارة الموجات

الكهربائي . علىوسوف واالنبعاث االمتصاص عملية تفسير على قادر غير التعريف وهذا

تطبيقات فله المغناطيسي اما كهربائي مجال انه اساس على الضوء ندرسالمغناطيسي . النووي الرنين مثل اخرى كيميائية

وغيرها* . واالنبعاث االمتصاص عملية يفسر الذي هو الكهربائي المجال

4

The classical wave model

The classical wave model describes electromagnetic radiation as waves that have a wavelength, frequency, velocity, and amplitude. These properties of electromagnetic radiation can explain classical characteristics of electromagnetic radiation like reflection, refraction, diffraction, interference, etc. However, the wave model cannot explain the phenomena of absorption and emission of radiation.

بسبب وذلك موجة انه على الكهرومغناطيسي الشعاع اعتبار اعتبار تمواالنعكاس والتداخل الحيود مثل تفسيرها تم التي والصفات الخصائص

واالنكسار .انه على الكهرومغناطيسي الشعاع يوصف الكالسيكي النموذج كان حيث

وسعة . وسرعة و تردد و موجي طول تمتلك موجاتاالنبعاث ظواهر تفسير يستطيع ال الكهرومغناطيسي للشعاع النموذج هذا

واالمتصاص .

5

Wave parameters

1- Wavelength (λ)

The wavelength of wave is the distance between two consecutive maxima or two consecutive minima on the wave. It can also be defined as the distance between two equivalent points on two successive maxima or minima. This can be seen on the figure below:

متكافئتين نقطتين بين المسافة انه على اخرى بصورة ويعرفمتتاليتين

6

7

2- Amplitude (A):

The amplitude of the wave is represented by the length of the electrical vector at a maximum or minimum in the wave. In the figure below, amplitude is the length of any of the vertical arrows perpendicular to the direction of propagation of the wave.

كهربائية ) متجهات على يحتوي الكهربائي الموجة والمجال (سعة

8

3- Frequency:

The frequency of the wave is directly proportional to the energy of the wave and is defined as the number of wavelength passing a fixed point in space in one second.

4- Period (P):

The period of the wave is the times in seconds required for one wavelength to pass a fixed point in space.

ثابتة نقطة في المارة الواحدة الموجة زمن

5- Velocity:

The velocity of wave is defined as the multiplication of frequency times the wavelength. This means:

V = ᶹλ

The velocity of the light in vacuum is greater than its velocity in any other medium.

9

Since the frequency of the wave is a constant and is a property of the source, the decrease in velocity of electromagnetic radiation in media other than vacuum should thus be attributed to a decrease in the wavelength of radiation upon passage through that medium.

الموجة * فيه يمر الذي للوسط الكثافة على تتوقف الكثافة) السرعة) الجزيئات عدد بها يقصد

الضوء . سرعة قلت الوسط كثافة زادت وكلما

من * اعلى كثافة ذي وسط في الكهرومغناطيسي الشعاع يمر عندماسوف ثــــــابت . الفراغ يبقــــــــى والتردد الموجي الطول يقل

10

6. Wavenumber (n)

The reciprocal of wavelength in centimeters is called the wavenumber. This is an important property especially in the study of infrared spectroscopy.

Wavenumber is directly proportional to frequency and thus E

n = k n

k depends on medium and = 1/velocity

مع . ً طرديا ويتناسب الواحد السنتيمتر في الموجات عدد هو الموجي العددوالطاقة . التردد

على / الكهرومغناطيسي الشعاع فيه يمر الذي الوسط تغير تأثير ماهو س؟ والتردد الموجي والطول السرعة

Q/ what is the effect of the medium to change the electromagnetic radiation passes on the velocity and wavelength and frequency?

سوف : ) ( الجواب كثافة اكثر وسط الى الفراغ من الوسط تغيير انالموجي الطول ويقل الكهرومغناطيسي الشعاع سرعة تقليل الى يؤدي

ثابت التردد يبقى لكن

11

Constructive Interference

The resultant wave would have a greater amplitude than any of the individual waves which, in this case, is referred to as constructive interference. The opposite

could also take place where lower amplitude is obtained.

12

The decrease in the intensity is a result of what is called a destructive interference. When the multiple waves have the same wavelength, maximum constructive

interference takes place when ϴ1 - ϴ2 is equal to zero, 360° or multiple of 360°. Also maximum destructive

interference is observed when ϴ1 - ϴ2 is equal to 180°, or 180°+ multiples of 360°

The blue and yellow shaded waves interfere to give the brown shaded wave of less amplitude, a consequence of

destructive interference of the two waves.

13

The Period of aBeat

When two waves of the same amplitude but different frequencies interfere, the resulting wave exhibit a

periodicity and is referred to as beat (see figure below). The period of the beat can be defined as the reciprocal

of the frequency difference between the two waves:

Pb = 1/Δν

14

15

dispersion ( الطبيعي dispersion normal )ؿوىو النوع الذي ال يتغير فيو الطو الموجي بتغير معام االنكسار (في مدى ؿ

معيف مفؿاألطوا الموجية) ، أو أف التغير في الطو الموجي مع معام االنكسار ؿ ؿ

بسيط لمغاية. ومفؿالجدير بالذكر أف المواد التي تعطي مث ىذا النوع مف ا dispersionؿ

تستخد لتصنيعالعدسات المجمعة لمضوء ، أو النوافذ.

( anomalous dispersion غير الطبيعي ) dispersion ا 2.ؿوفيو نشاىد تغي ا ًر كبي ا ًر لمطو الموجي مع معام االنكسار في مدى ؿ

ؿمعيف مف األطواؿالموجية ، ولذل يمكف استخدا المواد التي تتميز بيذا النوع مف ا ؾ

dispersionلصناعة ؼمفككات الضوء (كالمناشير) ، وذل في مدى األطوا الموجية التي تتص ؿ ؾ

بيذه الصفة.

ؿوالشك التالي يوضح منحنى ا لمادة ما: dispersionؿ

Fourier transformation

16

The resultant wave of multiple waves of different amplitudes and frequencies can be resolved back to its

component waves by a mathematical process called Fourier transformation. This mathematical technique is the basis of several instrumental techniques like Fourier transform infrared, Fourier transform nuclear magnetic

resonance, etc.

Diffraction of Radiation

17

Diffraction is a characteristic of electromagnetic radiation. Diffraction is a process by which a parallel

beam of radiation is bent when passing through a narrow opening or a pinhole. Therefore, diffraction of

radiation demonstrate its wave nature. Diffraction is not clear when the opening is large.

تداخل ال هنا عريضه اليحدث الفتحة ن

مضيئة ف مناطق توجد السابق الشكل الطول الي نفس لها الفتحة من المارة االشعه نبناء تداخل فيحدث . الموجي

18

يحدث لذلك المارة لالشعه الموجي الطول اختالف بسبب تظهر المظلمة المناطق اماهدام تداخل

Coherence of RadiationTwo beams of radiation are said to be coherent if they satisfy the following conditions:

1. Both have the same frequency and wavelength or set of frequencies and wavelength.

2. Both have the same phase relationships with time.

3. Both are continuous.

Energy States of Chemical Species

The postulates of quantum theory as introduced by Max Planck in 1900, intended to explain emission by heated bodies, include the following:

1 .Atoms, ions, and molecules can exist in certain discrete energy states only. When these species absorb or emit energy exactly equal to energy difference between two states; they transfer to the new state. Only certain energy states are allowed (energy is quantized).

2 .The energy required for an atom, ion, or a molecule to transfer from a one energy state to another is related to the frequency of radiation absorbed or emitted by the relation:

Efinal – Einitial = hn

Therefore, we can generally state that:

19

E = hn

عام في بالنك ماكس قدمه كما الكم نظرية ،1900الفرضيات: يلي ما وتشمل االنبعاثات، شرح إلى وتهدف

1. . أو األنواع هذه تمتص عندما والجزيئات األيونات، الذرات، . يتم الحالتين بين الطاقة فرق بالضبط تساوي الطاقة تنبعث

) . للطاقة حاالت بعض فقط يسمح الجديدة للحالة )نقلenergy is quantized

طاقة .2 حالة من لنقل جزيء أو أيون، للذرة، الالزمة الطاقةتوخذ المنبعثة أو الممتصة اإلشعاعات لتردد آخر إلى واحد

: العالقة منEfinal – Einitial = hn

: أن عموما القول يمكننا لذلك،E = hn

) ب تدعى معينة حالة في توجد الجزيئة او -groundالذرةstate (او الذرة تاخذ عندما ، المثارة الغير المستقرة الحالة

المستقرة الحالة من تتنقل سوف الكافية الطاقة الجزيئةب) (Other-stateالى ( تدعى وهناك) Excited-stateوهي

االيون او الجزيئة او الذرة تاخذها محددة او معينة طاقاتان ويجب المثارة الحالة الى المستقرة الحالة من لالنتقال

معرفتة ويجب اخر ومدار مدارات اي بين معروفة تكونيكون اي االنتقال لحدوث مسموحة طاقة اي تعتبر ال وبتالي

ب وتدعى الطاقة مستويات من مستويان بين الفرق)energy is quantized(

20

Types of Energy States

Three types of energy states are usually identified and used for the explanation of atomic and molecular spectra:

1 .Electronic Energy States: These are present in all chemical species as a consequence of rotation of electrons, in certain orbits, around the positively charged nucleus of each atom or ion. Atoms and ions exhibit this type of energy levels only .

2 .Vibrational Energy Levels: These are associated with molecular species only and are a consequence of interatomic vibrations. Vibrational energies are also quantized, that is, only certain vibrations are allowed.

3 .Rotational Energy Levels: These are associated with the rotations of molecules around their center of gravities and are quantized. Only molecules have vibrational and rotational energy levels.

واستخدامها الطاقة حاالت من أنواع ثالثة تحديد يتم ما وعادة: والجزيئية الذرية األطياف لتفسير

1 : األنواع. كل في موجودة هذه االلكترونية الطاقة مستوياتحول المدارات، بعض في اإللكترونات، لدوران نتيجة الكيميائية

. يحمل واأليونات الذرات أيون أو ذرة كل من الشحنة موجبة نواة. فقط الطاقة مستويات من النوع هذا

2 : فقط. الجزيئية األنواع مع ترتبط هذه اهتزازية الطاقة مستوياتلالهتزازات نتيجة أيضا. interatomicوهي هي اهتزازية الطاقات

الكم .quantizedمحددة االهتزازات بعض سوى يسمح ال وهذا ،3 : جزيئات. من الدوران مع تقترن هذه الدورانية الطاقة مستويات

. الجزيئات الكم وومحددة جاذبيات من الرئيسي محورها حول . والدورانية االهتزازية الطاقة مستويات لديهم الوحيدة

21

The solid black lines represent electronic energy levels. Arrows pointing up represent electronic absorption and arrows pointing down represent electronic emission. Dotted arrows represent relaxation from higher excited levels to lower electronic levels. The figure to left represents atomic energy levels while that to the right represents molecular energy levels.

. االلكترونية الطاقة مستويات تمثل الصلبة السوداء الخطوطإلى واألسهم االلكترونية امتصاص تمثل االرتفاع إلى األسهم

. المنقطة األسهم وتمثل اإللكترونية االنبعاثات تمثل االنخفاضمستويات لخفض أعلى المثارة مستويات من االسترخاء

الذرية. الطاقة مستويات يمثل اليسار إلى الشكل هذا اإللكترونية . الجزيئية الطاقة مستويات تمثل اليمين الى أن حين في

Line versus Band Spectra

Since atoms have electronic energy levels, absorption or emission involves transitions between discrete states with no other possibilities. Such transitions will only result in line

22

spectra. However, since molecular species contain vibrational and rotational energy levels associated with electronic levels, transitions can occur from and to any of these levels. These unlimited numbers of transitions will give an absorption or emission continuum, which is called a band spectrum. Therefore, atoms and ions always give line spectra while molecular species give band spectra .

أو وامتصاص اإللكترونية، الطاقة مستويات تكون ذرات أن بما. أخرى احتماالت أي مع منفصلة حاالت بين االنتقال ويشمل انبعاث

. األنواع ألن ذلك، ومع خط أطياف إلى تؤدي االنتقاالت وهذهوالدورانتية اإلهتزازية الطاقة مستويات على تحتوي الجزيئية

وإلى من االنتقال يحدث أن ويمكن اإللكترونية، بمستويات مرتبطة . االنتقاالت من محدود غير األرقام وهذه المستويات هذه من أي

يسمى ما وهو متواصلة، انبعاث أو امتصاص bandيعطيspectrum .بينما خط أطياف دائما تعطي واأليونات الذرات لذلك،

الجزيئية األنواع .band spectraتعطي

تعطي الذرات ان فقط line spectrumنستنتج تمتلك النهاElectronic Energy levels

تعطي الجزيئات باالضافة Broad band spectrumبينما النفيها Electronic Energy levelلوجود Vibrationalموجود

Energy Levels وRotational Energy LevelsBlack Body Radiation

23

When solids are heated to incandescence, a continuum of radiation called black body radiation is obtained. It is noteworthy to indicate that the produced emission continuum is:

1 .Dependent on the temperature whereas temperature of the emitting solid is increased, the wavelength maximum is decreased.

2 .The maximum wavelength emitted is independent on the material from which the surface is made.

المادة كانت سواء التوهج درجة الى سخنت لو صلبة مادة ,FeايCu, Zn) اشعاع تكون المادة ناتج) (radiationاي Black Bodyوهو

Radiation .( . التوهج فيها يصبح الذي المادة حرارة درجة تزداد كلما ان يتميز. يقل سوف منها الصادر لالشعاع الموجي الطول ان نالحظ ) نوع على اليتوقف اي المادة نوع على اليتوقف الموجي الطول

. التوهج فيها حصل التي المادة الطول يقل حيث الحرارة درجة على فقط يعتمد الموجي الطول

. المادة نوع على والتتوقف الحرارة درجة تزداد كلما الموجي) في تستخدم مادة عن IR (Infra .Red)كل عبارة Black Bodyوهي

Radiation Source ( موجية اطوال تعطينا اي طاقة تعطينا تتوهج عندما المادة على البداية في نحصل الموجية وهذا Linesوليس quantumاالطوال

quantum لهwavelength maximum يقل الموجي الطول وهذا. المادة نوع على واليتوقف الحرارة درجة تزداد عندما

24

The Uncertainty Principle

Werner Heisenberg, in 1927, introduced the uncertainty principle, which states that: Nature imposes limits on the precision with which certain pairs of physical measurements can be made. This principle has some important implications in the field of instrumental analysis and will be referred to in several situations throughout the course .

The Uncertainty Principle says that the product of the unceratinty Δx of the location of a particle and the uncertainty of the momentum Δpx can be no smaller than h/4π, where h is Planck's

constant; i.e ,.

Δx·Δpx ≥ )h/4)

It is also true that the product of the uncertainty in the energy ΔE of a particle and the uncertainty concering time Δt must be no smaller than h/4π. Thus

ΔE·Δt ≥ h/4

25

لهايزنبرك الألدقة قاعدة عام قيود ( 1927في تفرض الطبيعة ان قانون هايزنبرك اقترح

فية تقاس ان يمكن التي الدقة tow inter relative physicalعلىquantizes (مثال فية تقاس (Time Energy, Time Momentumاي

Time, Velocity (,اال التستطيع نقيسهم عندما ببعضهم عالقة لهسوف عالية بدقة واحدة نقيس عندما الدقة بنفس نحسب

نقيس الذي بالدقة نضحي سوف اي واطئ بدقة الثانية نقيس . االخر فيه

) عن التحدث في مهم يكون القانون )very small particlesهذاتكون عندما تكون particlesحيث عالية uncertaintyقليلة

عن نتكلم عندما اي الكتلة تزداد عندما او Micro systemاماMicro martal فيها .uncertaintyتكون قليلة تكون

ب gan (e)عندما let-scopeونشاهدةوالضوء علية يسقط الضوء فيحجب

هذا ( نستطيع) eنقابل حتى ويعكسةموضوع ( تحديد المشكلة )eمشاهدتة

ليس هذا يكون االشعاع مشاهدة عنديكون) (eموقع ( اخر) eوانما موقع في

موقع ( تحديد .eاليمكن بالضبط)

26

Example: The mean lifetime of the excited state when irradiating mercury vapor with a pulse of 253.7 nm radiation is 2*10-8 s. Calculate the value of the width of the emission line.

Solution:

ΔE·Δt ≥ h/4p

hDn.Dt ≥ h/4p

Dn.Dt ≥ 1/4p

Dn = 1/4pDt

Dn = ¼*3.14*2*10-8 = 3.98*106 s-1

n = c/l

Dn = -cl-2 Dl

Dl = Dn l2 /c

Dl = 3.98*106 s-1*(253.7*10-9)2 /3*108 m s-1

Dl = 8.5*10-6 Ao

If mass of particle is 1 mg then by using Heisenberg’s uncertainty principle formula.

)Δv)(Δx) = (h/4 (p m

By putting the value of h = 6.626 x 10-34 kg m2 s-1,m = 1 mg or 10-6kg.So (Δv) (Δx) = (6.626 x 10-34 / 4) x 3.1416 x 10-6,Or (Δv) (Δx) = 10-28 m2 s-1

Thus the product of (Δv) and (Δx) is very small. The particles having mass greater than 1mg, the product will still be small.

27

Hence, the values are negligible. But for the electron, the product is equal to (Δv) (Δx) = 10-4 m2 s-1 .

تعريف البداية Heisenbergحسب في نتكلم momentumعرف عندماعن momentumعن تعيين velocity time massنتكلم النستطيع

للغاية قصير الزمن الوقت نفس في جدا كبيرة بدقة السرعةΔx·Δpx ≥ )h/4(

Δx :- unceratinty in position الموقع او السافة الى نسبة الالدقةΔp:- unceratinty in Momentum الزخم الى نسبة الالدقة

Δt , unceratinty in energy ΔE ΔE·Δt ≥ h/4πالزمن:-

28