ALGUMAS APLICAÇÕES DA ESPECTROSCOPIA ÓPTICA
XV Semana de Física - UFJF
Outubro/2004
Maria José V. Bell, DF-UFJF
Índice• O que é espectroscopia óptica
• Radiação UV-VIS-IR
• Elementos básicos experimentais
•Técnicas experimentais e exemplos de aplicações
• Absorção, transmissão,
• Absorção infravermelha
Ondas Eletromagnéticas
E=hc/
Radiação UV-Vis-IR
Espectro Eletromagnético
Espectroscopia Óptica Consiste na interação de radiação (na faixa do UV,
Vis e IR) com a matéria (sólido, líquido ou gás). Esta interação pode ocorrer via absorção,
espalhamento, emissão ou reflexão da luz incidente.
Io
IR IT
AmostraIE
Io: Intensidade Incidente
IR: Intensidade Refletida
IT: Intensidade Transmitida
IE: Intensidade Espalhada
Io=IT+IR+IE+IA
Intensidade
Absorvida
Elementos básicos:• Fontes de luz: laseres e lâmpadas
• Elemento dispersor: grade de difração ou prisma
• Detector: fotodiodo, fotomultiplicadora, CCD
• Amostra: sólido, líquido ou gás.
Laser
Fontes de luzLâmpadas: Espectro contínuo
Emissão de Corpo Negro
Lei de Planck
Laseres:Gasosos, de Estado Sólido e líquidos (Dye lasers)
1. Gasosos: He-Ne, Argônio (Ar+), Kriptônio, He-Cd, N2, CO2, etc.
2. De Estado sólido: Laseres de diodo, Ti:Safira, Nd:YAG, etc.
3. Líquidos: corantes, desde o UV até o infravermelho, com variação contínua, mudando o corante.
sen + sen = mD
N
Poder de resolução da
rede:
m
O Elemento Dispersivo:Monocromador
Faixa de sensibilidade
Detector ( m)
Si 0.2 - 1.1
Ge 0.4 - 1.8
InAs 1.0 - 3.8
InSb 1.0 - 7.0
InSb (77K) 1.0 - 5.6
HgCdTe (77K) 1.0 -25.0
Fotodiodos p
nEg
E
p
p
n
E
p
V
V-V
Fotomultiplicadora
Faixa de operação: 110-1100 nm
Eficiência Quântica: 1-10%
Tempo de resposta: 1-20 ns
1 2 3 4 5
(b)
1 2 3 4 5
2
1
(c)
CCD- Charge Coupled Device
Características:
1) 1024 ou 2048 pixels
2) Eficiência quântica de ~60%
3) Alta sensibilidade
4) Tamanho:
~ 25 mm
Tipos de Amostras: 1) Sólidos
Ene
rgia
BV
BC
Isolante
Eg
BV
BC
Metal
Eg
BV
BC
Semicondutor
Eg
Eg > 5eV Eg < 1eV Eg entre ~1eV e
5eV
E=hc/
2) Moléculas (diatômicas)
R
Níveis vibracionais
Níveis Eletrônicos
Átomo de Bohr
Absorção e Emissão
Faixas de Energias da Espectroscopia óptica
Níveis Eletrônicos
~1eV
UV-VISNíveis Rotacionais< 10 meVNíveis Vibracionais
~10 - 100meVIR
TÉCNICA DE ABSORÇÃO E REFLETÂNCIA
Absorbância (A): A=logIo/IT
Refletância R: =IR/Io
Transmitância (T): T=IT/Io
Lei de Beer: IT()=Io()e-L
=A/(Llog(e))
L
IT
IO
IR
R=IR/Io
Absorção Infravermelha
Número de Onda (=1 ) (cm-1)
3 2,4
Tra
nsm
issã
o
Algumas bandas de absorção típicas
Aplicação 1: Gases na atmosfera
Emissão solar
Comprimento de onda ( m)
Inte
nsid
ade
(W/m
2 m
)
Por
cent
agem
de
ener
gia
abso
rvid
a
Aplicação 2: Sensoriamento remoto
Ref
letâ
ncia
(%
)
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Fonte:EUMETSAT
Comparação da refletância do solo nos 3 canais
Comparação da refletância das folhas nos 3 canais
Canal 1: 0.6 m
Canal 2: 0.8 m
Canal 3: 1.6 m
Ref
letâ
ncia
Sensoriamento remoto
Superfície da TerraEm 0.8 m há uma melhor
definição entre estruturas de superfície devido à alta refletância do solo e das folhas.
0.6 m 0.8m
Canal 1: 0.6 m
Canal 2: 0.8 m
Comprimento de onda (m)
0.6 0.8 1.6
Gelo/neve:baixa refletividade
Núvens: alta refletividade
Fonte: EUMETSAT
Refletividade do Gelo/neve e Núvens em 1.6 m
• Núvens de água e núvens de gelo
Gelo/neve
Núvem
Superfície Lunar –dados da Apolo 14
Transmissão do leite
450 500 550 600 650 7000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Leite Semi Desnatado Marca A Leite Desnatado Marca A Leite Integral Marca A
Tra
nsm
itânc
ia
Comprimento de onda (nm)
Marca A: Parmalat
Absorção de Água Líquida
Coe
fici
ente
de
abso
rção
(
cm-1)