TECNICHE SPERIMENTALI

Presentazione sul tema: "TECNICHE SPERIMENTALI"— Transcript della presentazione:

1 TECNICHE SPERIMENTALI
ASSORBIMENTO EMISSIONE DIFFUSIONE RAMAN

2 SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO
Fenditura di entrata Fenditura di uscita sorgente cella Elemento rivelatore registratore disperdente

3 SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO
Rivelatore Campione Sorgente Riferimento Reticolo Combinatore dei fasci

4 SPETTROSCOPIA RAMAN Rivelatore Monocromatore o interferometro
Cella del campione Rivelatore Monocromatore o interferometro

5 Apparecchiatura in generale
campione rivelatore (assorbimento) prisma, reticolo sorgente rivelatore (Raman) Sorgenti: klystron, solenoidi, metalli, o ossidi metallici riscaldati, gas nobili attraversati da scariche elettriche, elementi radioattivi, luce di sincrotrone... Elementi disperdenti: prismi di quarzo, o altri monocristalli, reticoli di diffrazione Rivelatori: semiconduttori, fotomoltiplicatori, pellicole fotosensibili Il campione può essere gassoso, in soluzione liquida, solido (cristallino o in polvere) Le celle sono in genere rivestite di specchi semitrasparenti per aumentare il cammino ottico della radiazione

6 RADIAZIONE DI SINCROTRONE
Alta brillanza Alta intensità e collimazione Elevato livello di polarizzazione Emissione pulsata Modulabile in energia

7 Sincrotrone Elettra di Trieste

8 DISPERSIONE : PRISMA RETICOLO
DIFFRAZIONE RIFRAZIONE Prisma : l’angolo a cui una data frequenza è dispersa dipende dalla natura del materiale Reticolo : permette la misura della lunghezza d’onda

9 DISPERSIONE : PRISMA Bassa frequenza Alta frequenza

10 DISPERSIONE : RETICOLO
Raggio diffuso incidente Reticolo di diffrazione

11 per  = m interferenza costruttiva
 = 0  è la differenza di cammino =/2 per  = (m+1/2)  interferenza distruttiva

12 Differenti  interferiscono a differenti 
Red   Blue 

13 MONOCROMATORE Al rivelatore Raggi diffusi Raggio incidente Fenditura
Reticolo di diffrazione

14 IN TRASFORMATA DI FOURIER
SPETTROSCOPIA IN TRASFORMATA DI FOURIER Nel dominio del tempo raccogliamo tutta l’informazione in un tempo molto breve. La scansione delle frequenze richiede un tempo lungo

15 1 frequenza DOMINIO DEL TEMPO Trasformata di Fourier
DOMINIO DELLE FREQUENZE Trasformata di Fourier

16 2 frequenze – ampiezza 1:1 DOMINIO DEL TEMPO
battimenti con frequenza 1-2 DOMINIO DELLE FREQUENZE

17 2 frequenze – ampiezza 2:1 DOMINIO DEL TEMPO
ancora battimenti con frequenza 1-2, ma diversa forma dell’onda. L’informazione è contenuta sia nella frequenza che nell’intensità del segnale. DOMINIO DELLE FREQUENZE

18 2 BANDE DOMINIO DEL TEMPO DOMINIO DELLE FREQUENZE

19 Interferometro : uno strumento che divide un fascio di radiazione elettromagnetica in un numero di fasci e li riunisce per produrre frange di interferenza. Divisore di fascio Specchio mobile M1 Specchio fisso M2 Compensatore Interferometro di Michelson

20 SPETTROSCOPIA 1. Dispersione diretta prismi reticoli
spettri nel dominio delle frequenze 2. Interferometria a) Basse frequenze (radiofrequenze e microonde) spettri nel dominio del tempo b) Alte frequenze (IR, visibile e UV) spettri nel dominio delle lunghezze

21 SORGENTE CONTINUA DOMINIO DELLE FREQUENZE INTERFEROGRAMMA

22 ARIA – SPETTRO IR INTERFEROGRAMMA TRASFORMATA DI FOURIER

23 INTERFEROGRAMMA SPETTRO

24 Joseph Fourier Nato a Auxerre nel 1768
Sviluppò la teoria della propagazione del calore usando un’espansione in serie di funzioni seno

25 TRASFORMATA DI FOURIER
I() = SPETTRO h(t) = SEGNALE I( ) = SPETTRO h(x) = SEGNALE

26 h(t) t I() 

27 CAMPIONAMENTO La trasformata di Fourier è fatta numericamente.
L’interferogramma è campionato in 2 N punti xj= j Δx j= -N, -N+1, -N+2, …, -1, 0, 1, …., N-1 Velocità di campionamento Intervallo di frequenze Tempo totale di campionamento Risoluzione spettrale Numero totale di punti Richiesta di memoria INTERFEROGRAMMA I(xj) = Ij

28 SERIE DI FOURIER

29 FUNZIONE DA CAMPIONARE 1 VOLTA / CICLO = COSTANTE
CAMPIONAMENTO FUNZIONE DA CAMPIONARE 1 VOLTA / CICLO = COSTANTE 1,5 VOLTE / CICLO = FREQUENZA MINORE

30 CAMPIONAMENTO : ALMENO 2 VOLTE / CICLO
CRITERIO DI NYQUIST CAMPIONAMENTO : ALMENO 2 VOLTE / CICLO La frequenza di campionamento deve essere 2 volte la frequenza massima che deve essere osservata.

31 INTERFEROMETRIA E RISOLUZIONE
Si deve raccogliere una oscillazione completa per risolvere tutte le componenti. Per piccole differenze di frequenza, si deve raccogliere un cammino lungo per osservare l’oscillazione completa. Per risolvere 2 linee separate di ∆ν, la lunghezza della scansione è data da L = 1/(2 ∆ν) Esempio: per una risoluzione di 0.1 cm-1, L = 1/( cm-1) = 5 cm Differenza di cammino ottico intensità

32 Rapporto segnale / rumore
Per migliorare il rapporto segnale/rumore si accumulano più spettri.

33 STRUMENTO A FASCIO SINGOLO Spettro del polistirene
Spettro del fondo Spettro del campione Spettro del polistirene

34 SPETTROSCOPIA in TRASFORMATA di FOURIER
La spettroscopia in trasformata di Fourier differisce dalla spettroscopia convenzionale in quanto tutte le lunghezze d’onda sono misurate simultaneamente. Questo riduce considerevolmente il tempo necessario per raccogliere lo spettro con il necessario rapporto segnale/rumore.

35 Vantaggio di Jacquinot
Uno strumento FT non usa fenditure; tutta la radiazione raggiunge il rivelatore ad ogni istante. FT: diametro 8 mm Area = 50.3 mm2 Fenditura: 12mm x 120 µm. Area = 1.44 mm2 Pierre Jacquinot vantaggio FT = 34.9

36 Vantaggio di Fellgett Poiché tutte le componenti dello spettro sono raccolte simultaneamente, il rumore del rivelatore è diffuso su tutto lo spettro, piuttosto di essere accumulato su ciascun punto. Ciascuna linea ha meno rumore che se fosse misurata singolarmente. Questo guadagno Segnale/Rumore è chiamato vantaggio multiplex o vantaggio di Fellgett. Note how the noise in the scanned spectrum is large on the peaks and low in the background, while the noise is evenly distributed throughout the FT spectrum. Peter Fellget

37 INTERFEROMETRIA METODO SUPERIORE PROBLEMI
→ Calcolo della trasformata di Fourier → Strumento a fascio singolo VANTAGGI → Risoluzione > reticoli → Risoluzione  n. punti campionati → Tutto lo spettro raccolto ad ogni istante Studio di specie a vita breve (vantaggio di Jacquinot) → Migliore rapporto segnale-rumore (vantaggio di Fellgett) METODO SUPERIORE

38 ATR Riflettanza Totale Attenuata
Riflessione invece di trasmissione. Solido con elevato indice di rifrazione (ZnS, …) a contatto con il materiale esaminato. Studio dei solidi

39 RAIRS Spettroscopia IR di Riflessione ed Assorbimento
Sorgente IR Rivelatore IR Substrato (cristallo) SPERIMENTALE Campione adsorbito su superficie metallica Fascio IR radente alla superficie La radiazione osservata dipende dall’orientazione del dipolo VANTAGGI Identificazione di specie chimiche Informazione sull’orientazione dell’adsorbato

40 La radiazione incidente interagisce con lo strato dell’adsorbato ed è riflessa dalla superficie metallica Vacuum n1 = 1  E1i E1r Adsorbate n2 – ik2 E2i E2r Substrate n1 – ik3 E3

41 Regole di selezione di dipolo per RAIRS su metalli
Ei^ Ei|| q Solo la componente parallela della radiazione incidente contribuisce al segnale osservato

42 Solo momenti di dipolo con contributo normale alla superficie interagiscono con la radiazione incidente + - + - q(t)  = q cos  q sin  La vibrazione di una molecola polare orientata parallela alla superficie induce una carica immagine nella superficie che cancella il dipolo, mentre il dipolo cresce per vibrazioni perpendicolari alla superficie.