| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Nízkoteplotná plazma III – základná diagnostika, spektroskopia
Vladimír Scholtz
Pri práci s plazmou je jednou zo základných otázok analýza jej zloženia a prebiahjúcich dejov. Na tento účel je už z podstaty plazmy vhodná široko používaná metóda emisnej spektroskopie. Pri chaotickom tepelnom pohybe nabitých častíc v materiáli sa emitujú fotónyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. na rôznych vlnových dĺžkach (farbách) a výsledné svetelné spektrum je spojité – sú v ňom zastúpené všetky vlnové dĺžky. Typickým príkladom je slnečné žiarenie alebo svetlo klasickej žiarovky. Opakom spojitého spektra je spektrum čiarové, kde sú zastúpené iba vybrané vlnové dĺžky (farby) alebo naopak tieto vybrané vlnové dĺžky v inak spojitom spektre chýbajú. Spojité spektrum typicky vyžaruje nízkoteplotná plazma a je z neho možné diagnostikovať jej kvalitatívne aj kvantitatívne zloženie ako aj deje v nej prebiehajúce.
|
Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Spektrum – rozklad elektromagnetického záření (většinou světla) na jednotlivé vlnové délky. Zpravidla se provádí za pomoci hranolu nebo mřížky. Spektrum slunečního světla může také vzniknout na vodních kapkách jako duha. Ve spektru se nachází kontinuum (spojitě se měnící barvy) a charakteristické spektrální čáry. Světlé se nazývají emisní (vznikají emisí fotonů) a tmavé absorpční (vznikají absorpcí fotonů). |
Pri pohľade na svetelný lúč všetky vlnové dĺžky splývajú a na ich analýzu je potrebné ich od seba oddeliť. Na tento účel je možné použiť optický hranol, založený na závislosti indexu lomu materiálov na vlnovej dĺžke, alebo optická mriežka, založená na interferencii svetla. Podrobnejší popis je možné nájsť v každej učebnici optiky.
Obr. 1: Rozklad svetla na optickom hranole. Biele svetlo prichádza zdola, časť sa od hranola odráža a časť vstupuje. Vstupujúci lúč sa láme pri vstupe aj pri výstupe z hranola a vďaka disperzii jednotlivé farby vystupujú pod rôznymi uhlami. Zdroj: Wikipedia.
Obr. 2: Rozklad svetla na optickej mriežke. Biele svetlo prichádza zľava, časť prechádza ďalej bezo zmeny a časť sa vďaka interferencii odkláňa. Na obrázku je po oboch stranách pod uhlom cca 20° jasne viditeľný interferenčný obrazec 1. rádu. Pod uhlom cca 45° je viditeľný slabý interferenčný obrazec 2. rádu. Je zaujímavé si všimnúť, že zatiaľčo na hranole sa najviac láme farba fialová (krátke vlnové dĺžky), na mriežke sa naopak najviac vychyľuje farba červená (krátke vlnové dĺžky). Zdroj: Giphotostock/Science Photo Library.
ElektrónElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. sa v atóme alebo molekule môže nachádzať iba na určitých možných energetických hladinách a pri prechode medzi nimi musí prijať alebo odovzdať presné kvantum energie rovnajúce sa rozdielu jeho energie na pôvodnej a novej energetickej hladine. Pokiaľ má elektrón preskočiť na vyššiu energetickú hladinu, musí prijať energiu z okolia, napr. absorpciou fotónu, zrážkou s iným elektrónom alebo z vonkajšieho elektrického poľa. Prípadná absorpcia fotónuFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. môže prebehnúť iba v prípade, že absorbovaný fotón má energiu rovnú požadovanému rozdielu energií medzi hladinami. Pokiaľ sa elektrón vracia na nižšiu energetickú hladinu, vyžaruje kvantum energie vo forme fotónu. Energia takto vyžiareného fotónu je charakteristická pre každý atóm alebo molekulu a je tak možné z nej určiť v akom atóme alebo molekule sa elektrón nachádza. Práve tento fakt sa využíva pri spektroskopii, diagnostike zloženia látok a v nich prebiehajúcich procesov na základe vyžarovaných alebo absorbovaných fotónov. Všeobecne je možné povedať, že jednoduché jednomolekulové plyny majú malé množstvo energetických hladín a aj ich spektrum obsahuje iba niekoľko základných charakteristických čiar. So zložitosťou molekúl sa zväčšuje aj počet možných energetických stavov elektrónov a teda aj počet charakteristických čiar.
Pri absorpčnej spektroskopii sa skúmaný objekt ožiari bielim svetlom, teda svetlom, v ktorom sú v skúmanom rozsahu zastúpené všetky vlnové dĺžky. Fotóny, ktorých energia (vlnová dĺžka) zodpovedá možným prechodom elektrónov v skúmanom materiáli medzi energetickými hladinami, budú vo vzorke pohltené – vzorka bude pre nich nepriehľadná. Naopak fotóny, ktorých energia nie je rovná žiadnemu z energetických rozdielov v materiáli, pohlcované nebudú a materiál je pre nich priehľadný. Po prechode svetla skúmaným objektom je na základe úbytku fotónov na diskrétnych vlnových dĺžkach možné určiť aké látky a v akom množstve sa v skúmanej vzorke nachádzajú.
Pri emisnej spektroskopii sa v skúmanom objekte musia elektróny vybudiť do vyšších energetických stavov, ktoré následne pri spontánnych prechodoch do nižších energetických hladín vyžarujú fotóny s charakteristickými vlnovými dĺžkami. Vybudenie elektrónov je možné napríklad práve v nízkoteplotnej plazme elektrickým výbojom pri zrážkach ako je to napríklad popísané v predchádzajúcom bulletine tejto série (AB 2012/24).
Pri analýze jednej vzorky sú samozrejme v oboch prípadoch skektroskopie charakteristické vlnové dĺžky rovnaké. V prípade absorpčnej spektroskopie budú tieto vlnové dĺžky v prechádzajúcom svetle chýbať, v prípade emisnej spektroskopie budú naopak vidieť iba charakteristické vlnové dĺžky.
Obr. 3: Schematické znázornenie absorpčnej a emisnej spektroskopie
na príklade vzorky vodíku.
A na záver niekoľko ukážok ako môže vyzerať spektrum elektrických výbojov rôznych plynov vo viditeľnom spektre a spektrum ruskej žiarovky imitujúcej plameň sviečky. Diagnostiku plynného obsahu ruskej žiarovky ponecháme na čitateľovi.
Obr. 4.: Fotografie výbojových trubíc s rôznym obsahom plynov cez difrakčnú mriežku. Vľavo je vidieť pôvodný obraz trubice, vpravo je interferenčný obrazec 1. rádu s naznačenými vlnovými dĺžkami.
Obr. 5.: Ruská žiarovka imitujúca plameň sviečky. Pohľad cez difrakčnú mriežku.
Pohľad na dve žiarovky imitujúce plameň sviečky, neskôr pohľad
cez rôzne
natáčanú difrakčnú mriežku. Zdroj: Autor.
Článok vznikol s podporou grantu ČVUT SGS10/266/OHK3/3T/13
Odkazy
Pokračovanie
