آنالایزر نوری نوع جذب

آنالایزر نوری نوع جذب چیست؟

می‌دانیم که نور به روش‌های بسیار خاصی با ماده تعامل دارد، که ممکن است به عنوان وسیله‌ای برای اندازه‌گیری ترکیب شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.

یا نمونه ای از ماده ای که باید تجزیه و تحلیل شود به نور ساطع کننده تحریک می شود (گسیل نوری)، یا برای جذب نور از یک منبع خارجی (جذب نوری).

فرکانس های خاص (رنگ) نور به دست آمده از این تجزیه و تحلیل ها برای شناسایی عناصر شیمیایی و/یا ترکیبات موجود در نمونه، و شدت نسبی هر یک از الگوی طیفی غلظت آن عناصر و/یا ترکیبات را نشان می دهد.

مبنای نظری برای تجزیه و تحلیل نوری، برهمکنش بین ذرات باردار ماده و نور است، که ممکن است هم به عنوان یک ذره (به نام فوتون) و هم به عنوان یک موج الکترومغناطیسی دارای یک مدل باشد.

فرکانس (f) و طول موج (λ). به لطف کار فیزیکدانان ماکس پلانک و آلبرت انیشتین در آغاز قرن بیستم، می دانیم که تناسب مشخصی بین فرکانس موج نور و مقدار انرژی حمل شده توسط هر فوتون (E) وجود دارد.

این تناسب ثابت پلانک یا h:

است

E = hf

کجا،

E = انرژی حمل شده توسط یک “فوتون” نور (ژول)

h = ثابت پلانک (۶٫۶۲۶ × ۱۰^−۳۴ ژول-ثانیه)

f = فرکانس موج نور (هرتز یا ۱/ثانیه)

اگر مقدار انرژی حمل شده توسط فوتون با انرژی لازم برای “پرش” الکترون اتمی از یک سطح انرژی به سطح دیگر مطابقت داشته باشد، فوتون در سطح انرژی مصرف می شود. کار آن وظیفه زمانی که به اتم برخورد می کند.

برعکس، وقتی همان الکترون به سطح انرژی اولیه (پایین) خود در اتم باز می گردد، فوتونی با همان فرکانس فوتون اصلی که الکترون را از جای خود خارج کرده است آزاد می کند.

بنابراین، انرژی حفظ می شود (مثل همیشه!): انرژی دریافتی توسط اتم از فوتون فرودی، بعداً به شکل فوتون دیگری آزاد می شود که همان مقدار انرژی را حمل می کند.

از آنجایی که پیکربندی الکترونی هر عنصر منحصر به فرد است، الکترون های هر عنصر به طور متفاوتی به نور واکنش نشان می دهند. هم رنگ‌ها (فرکانس‌های) نور مورد نیاز برای افزایش سطح انرژی الکترون‌ها و هم رنگ‌ها (فرکانس‌های) نور ساطع شده از آن اتم‌ها در زمانی که الکترون‌های آن‌ها به سطح انرژی اولیه خود بازمی‌گردند، یک «اثر انگشت نوری» منحصر به فرد برای شناسایی عناصر تشکیل می‌دهند.

دمای بالا (یعنی سرعت اتمی بالا) نیز برای انتشار فوتون کافی است. به همین دلیل است که اجسام گرم انرژی را به شکل تابش الکترومغناطیسی ساطع می کنند، و همچنین به همین دلیل است که ما می توانیم دمای یک جسم را از راه دور با تابش نوری که ساطع می کند اندازه گیری کنیم.

اگر طیف نور مرئی را بررسی کنیم (محدوده ای از طول موج ها از ۷۰۰ نانومتر تا ۴۰۰ نانومتر، مربوط به طیفی از فرکانس های ۴٫۲۹ × ۱۰^۱۴ هرتز تا ۷٫۵ × ۱۰^۱۴ Hz) که توسط جسم سیاهی که تا دمای ۵۷۰۰ کلوین گرم شده است، ساطع می شود، طیف رنگی پیوسته ای از بنفش در سمت چپ (طول موج کوتاه، فرکانس بالا، انرژی بالا) تا قرمز در سمت راست (طول موج بلند، فرکانس پایین، انرژی کم). در اینجا، من از یک برنامه کامپیوتری به نام Spectrum Explorer (SPEX) برای نقشه برداری از طیف رنگ و شدت تابش در طیف وسیعی از طول موج ها استفاده می کنم:

مگر اینکه نور یک جسم سیاه گرم شده از دستگاهی عبور کند تا آن را به رنگ های تشکیل دهنده اش جدا کند، چشم انسان همه رنگ ها را با هم ترکیب می کند و فقط سفید را می بیند.

بنابراین، ما از اصطلاح “نور سفید” برای اشاره به مخلوط مساوی از فرکانس های نور که طیف مرئی را پوشش می دهد استفاده می کنیم. نواحی خاکستری در سمت چپ و منتهی الیه سمت راست طیف به ترتیب نشان دهنده مناطق فرابنفش و مادون قرمز است که خارج از محدوده دید انسان قرار دارند.

جسم سیاهی که تا ۵۷۰۰ کلوین گرم شده است، مقادیر قابل توجهی از اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز ساطع می کند، اما این تابش برای چشم انسان نامرئی است.

اگر نمونه ای از گاز هیدروژن خالص را برداریم و آن را با استفاده از قوس الکتریکی (داخل یک لوله شیشه ای) گرم کنیم، الکترون های اتم های هیدروژن با فشار به حالت های انرژی بالاتر وادار می شوند.

عبور جریان الکتریکی از گاز همانطور که آن الکترون ها به سطوح پایین تر انرژی اولیه برمی گردند، فوتون هایی با طول موج های مشخص (رنگ) ساطع می کنند.

این طول موج ها مانند اجسام جسم سیاه طیف مرئی را نمی پوشانند، بلکه خود را به صورت «خطوط» نازک در محدوده طیف مرئی و به صورت «قله» در نمودار شدت نشان می دهند:

کلاس

نور ساطع شده از لوله تخلیه گاز هیدروژن، با مشاهده با چشم غیرمسلح انسان، قرمز روشن به نظر می رسد، زیرا این طول موج غالب ساطع شده است.

رنگ‌های دیگر معمولاً توسط قرمز تحت الشعاع قرار می‌گیرند، اما اگر نور را از یک منشور یا از یک توری پراش عبور دهیم تا آن را به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش تقسیم کنیم، همچنان می‌توانیم آنها را مشاهده کنیم.

این مجموعه خاص از “خطوط” برای عنصر هیدروژن منحصر به فرد است و اگر در طیف انتشار برای هر نمونه شیمیایی تولید شده توسط هیدروژن یافت شود، ممکن است به عنوان یک “اثر انگشت” شناسایی هیدروژن باشد. همین روش.

یک جایگزین برای تحریک الکتریکی مقداری گاز هیدروژن و در نتیجه وادار کردن انتشار طول موج های خاص این است که نور سفید را از نمونه ای از گاز هیدروژن عبور دهیم و سپس به دنبال رنگ هایی باشیم که جذب می شوند.

توسط گاز همانطور که قبلاً ذکر شد، فوتون‌هایی که دارای انرژی (فرکانس‌های) لازم هستند در کار بالا بردن الکترون‌های اتم‌های هیدروژن به سطوح انرژی بالاتر مصرف می‌شوند و خطوط تیره را در طیف ناگسستنی رنگ‌ها از بنفش تا قرمز باقی می‌گذارند.

این طیف جذبی برای یک عنصر نامیده می‌شود، برخلاف طیف گسیلی که با انرژی دادن الکتریکی اتم‌های آن عنصر برای گسیل نور به دست می‌آید.

تصویر زیر سه طیف مختلف را نشان می دهد: طیف تمام رنگی (نور سفید) نور سفید (بالا)، طیف انتشار گاز هیدروژن (وسط) و جذب طیف گاز هیدروژن (پایین).

توجه داشته باشید که چگونه شکاف های تاریک در طیف جذب دقیقاً با موقعیت ها و رنگ های خطوط روشن در طیف گسیلی مطابقت دارند، زیرا طول موج های نور جذب شده از نور سفید هنگام عبور از گاز هیدروژن دقیقاً همان طول موج هایی است که از گاز هیدروژن در هنگام تحریک ساطع می شود.

توسط یک جرقه الکتریکی در یک لوله شیشه ای:

دهد.

معمولاً در تجزیه و تحلیل صنعتی، ما بیشتر به حضور قابل سنجش ترکیبات خاص در یک نمونه فرآیند توجه داریم تا حضور عناصر خاص. خوشبختانه، مولکول ها نیز برهمکنش متمایز خود را با نور دارند.

گاهی اوقات، این فعل و انفعالات به شکل الکترون های مولکولی است که به سطوح انرژی بالاتر تقویت می شوند، تقریباً مانند اتم های منفرد.

سایر فعل و انفعالات مولکولی نوری به شکل ارتعاشات و چرخش هایی است که بین اتم های یک مولکول ایجاد می شود، معمولاً با فوتون ها در محدوده مادون قرمز.

هنگامی که یک فوتون مادون قرمز با طول موج صحیح (مقدار انرژی) به مولکول مناسب برخورد می کند، فرکانس آن با اتم های پیوند خورده طنین انداز می شود، تقریباً به گونه ای که گویی آنها مانند توده های کوچکی عمل می کنند که توسط فنرهای سیم پیچ به هم متصل شده اند.

بنابراین، تابش نور از طریق نمونه ای از گاز فرآیند، و تجزیه و تحلیل طول موج های جذب شده توسط آن نمونه گاز، می تواند اندازه گیری های کمی از غلظت انواع گازهای خاص در آن نمونه ارائه دهد. /p>

چند طیف مختلف جذب مادون قرمز برای ترکیبات صنعتی رایج در اینجا نشان داده شده است، با فرکانس نشان داده شده در واحد عدد موج (تعداد طول موج در سانتی متر). لازم به ذکر است که این طیف های جذبی در مقیاس به یکدیگر کشیده نمی شوند. در عوض، هر کدام به مقیاس خاص خود کشیده می شوند تا اندازه های نسبی “نیزهای” جذب مختلف در سراسر طیف برای هر ماده را بهتر نشان دهند:

توجه داشته باشید که الگوی هر طیف جذبی منحصر به فرد است. هر ترکیبی تمایل دارد نور مادون قرمز را به روش خود جذب کند، و این الگوهای جذب “امضا” ابزاری را برای شناسایی انتخابی وجود ترکیبات مختلف در نمونه سیال فرآیند در اختیار ما قرار می دهد.

انواع مولکولی که در جذب نور مادون قرمز مؤثر هستند، آنهایی هستند که از انواع مختلف اتم تشکیل شده اند، مانند مونوکسید کربن (CO)، دی اکسید کربن (CO2)، دی اکسید گوگرد (SO2)، آب. بخار (H2O) و اکسیدهای نیتروژن (NOx). مولکول های تشکیل شده از دو اتم یکسان مانند اکسیژن مولکولی (O2)، نیتروژن (N2) و هیدروژن (H2) تعامل ناچیزی با نور مادون قرمز نشان می دهند. این یک کیفیت تصادفی تجزیه و تحلیل مادون قرمز است، زیرا بسیاری از برنامه های کاربردی نظارت بر فرآیند به طور خاص بر روی ترکیبات قبلی به استثنای دومی تمرکز می کنند. به عنوان مثال، نظارت بر انتشار گازهای خروجی یک سیستم احتراق بزرگ، کاربردی است که در آن غلظت(های) CO، CO2، SO2، و/یا NOx مرتبط است اما غلظت نیتروژن (N2) مناسب نیست. مانند تمام آنالیزهای شیمیایی، کلید انتخاب پذیری این است که برخی از ویژگی های اندازه گیری را پیدا کنید که فقط برای ماده ای که به اندازه گیری آن علاقه دارید و نه برای سایر موارد قابل استفاده است. به این ترتیب ابزارهای تحلیلی بین ماده مورد علاقه و سایر مواد «پس‌زمینه» تمایز قائل می‌شوند.

بین گسیل نوری و جذب نوری، تجزیه و تحلیل جذب به نظر می رسد در استفاده صنعتی مدرن محبوب تر باشد، با تجزیه و تحلیل انتشار نوری عمدتاً به کاربردهای آزمایشگاهی محدود می شود. یکی از دلایل این امر، لزوم گرم کردن نمونه تا دمای کافی بالا برای انتشار نور است: یک تلاش انرژی بر و بالقوه خطرناک. آنالایزرهای جذب فقط باید یک پرتو نور را از یک محفظه نمونه گرم نشده بتابانند، سپس اندازه گیری کنند که چه مقدار از طول موج های خاص توسط نمونه جذب شده است. یکی دیگر از دلایل مهم شیوع آنالایزرهای جذبی در صنعت، نیاز به یک کامپیوتر و الگوریتم پیچیده برای مرتب‌سازی طیف خطی مواد تولید شده در آنالایزرهای نوع انتشار است.

در هر تحلیلگر نوری نوع جذب، معادله اساسی که جذب فوتون را به غلظت ماده مرتبط می کند، قانون بیر-لامبرت است (که گاهی قانون لامبرت-بیر نامیده می شود):

کجا،

الف = جذب

a = ضریب انقراض برای ماده(های) جاذب فوتون

b = طول مسیر نوری که از نمونه عبور می کند

c = غلظت ماده جاذب فوتون در نمونه

I0 = شدت نور منبع (برخورد)

I = شدت نور دریافتی پس از عبور از نمونه

یک ترتیب معمولی برای قرار دادن نمونه سیال (مایع یا هوا) در معرض نور در این نمودار نشان داده شده است:

کلاس

همانطور که با معادله Beer-Lambert نشان داده شده است، حساسیت بیشتری با طول مسیر بیشتر حاصل می شود. در برخی از کاربردها که ماده مورد نظر یک آلاینده جوی است، پرتو نور به سادگی در هوای آزاد (معمولاً بر روی آینه منعکس می شود) قبل از بازگشت به دستگاه برای تجزیه و تحلیل، شلیک می شود. اگر منبع نور لیزر باشد، فاصله ممکن است بسیار زیاد باشد.

هنگامی که نور از نمونه فرآیند عبور کرد (یا از آن منعکس شد، باید برای طول موج های ضعیف آنالیز شود. دو نوع عمده از آنالیز طول موج وجود دارد: پراکنده (جایی که نور به طول موج های تشکیل دهنده آن تقسیم می شود) و غیر پراکنده (که در آن توزیع طیفی طول موج ها بدون جداسازی رنگ ها تشخیص داده می شود). این دو روش تحلیل نوری موضوع دو بخش بعدی را تشکیل می دهند.

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.