L’espectrofotometria
de transmitància òptica és una de les tècniques
més utilitzades en l’anàlisi del comportament
òptic dels materials. En el rang ultraviolat (UV), de 185
a 380 nm, i en el visible (VIS), d’uns 380 a 800 nm, proporciona
informació de les transicions electròniques entre
els diferents nivells electrònics.
En aquest treball s’estudiarà
el principi de funcionament de l’espectrofotòmetre de xarxa
de difracció i s’obtindran els espectres de transmissió
de diferents materials. A partir d’aquests espectres es pot determinar
la dependència espectral de l’absorció i de l’índex
de refracció.
4.1. Fonament
4.1.1. Espectrofotòmetre de xarxa de difracció
Els espectrofotòmetres
són instruments que, en general, proporcionen espectres de
transmissió o reflexió de la mostra que es caracteritza.
Bàsicament aquests instruments estan constituïts per
una font de llum policromàtica, un element dispersiu (prisma
o xarxa de difracció) i un detector.
Una xarxa de difracció
està constituïda per una làmina a la qual s’ha
fet un gran nombre (entre 100 i 600 per mil·límetre)
de ratlles paral·leles i equidistants. Quan s’il·lumina
una xarxa de difracció, cada ratlla esdevé un centre
emissor de llum en virtut del fenomen de la difracció. El
fenomen d’interferència fa que, a la sortida, solament
s’obtingui llum en aquelles direccions per a les quals hi
ha interferència constructiva. Aquestes direccions
(a) compleixen l’equació:
|
(1) |
on d és la separació
entre dues escletxes veïnes, l
és la longitud d’ona de la llum utilitzada i m és
un enter anomenat ordre de la interferència.
A conseqüència de
la dependència de a respecte
de la longitud d’ona, quan s’il·lumina la xarxa amb llum
policromàtica (per exemple la llum blanca), aquesta llum
se separa en els diferents colors que la componen
4.1.2. Propietats òptiques de materials
Quan un feix de llum arriba
a un objecte una part de la llum és reflectida, una altra
és transmesa i, finalment, una part és absorbida.
L’absorció de la llum (o radiació electromagnètica
en general) pot ser deguda a diferents mecanismes que fan que els
àtoms oscil·lin de manera ressonant entorn de la seva
posició d’equilibri (regió infraroig o IR) o que els
electrons siguin excitats a un nivell energètic superior
dins una mateixa banda (transicions intrabanda) o entre dues o més
bandes (transicions interbanda).
Aquests dos últims
casos correspondrien a energies en el rang UV-VIS on les transicions
electròniques van acompanyades de transicions de vibració
entre els nivells electrònics, i donen als pics l’aparença
de bandes. Cal afegir que es poden observar altres processos d’absorció
(p. ex. els que impliquen excitons, solitons, plasmons, etc.).
Quan es fa incidir llum
blanca (policromàtica) sobre un objecte, l’absorció
de la llum serà diferent segons la longitud d’ona i donarà
lloc al color de la llum transmesa. Si es fa incidir llum monocromàtica,
la mesura de la transmitància, T, permet caracteritzar
el comportament del material. La transmitància ens dóna
la proporció de llum transmesa:
|
(2) |
on I0
és la intensitat de la llum incident i I és
la intensitat de la llum transmesa.
La proporció de
la llum incident absorbida per un medi transparent és independent
de la intensitat de la llum (llei de Lambert) sempre que no hi hagi
altres canvis físics o químics dins el medi. La mesura
generalment utilitzada per a l’absorció de la llum és
l’absorbància, A:
|
(3) |
Els sistemes en estudi consisteixen
en diferents mostres en uns portasubstrats que permeten dur a terme
l’anàlisi òptica fonamentalment en el domini visible.
En condicions d’absorció
feble, la transmitància òptica es relaciona amb l’índex
de refracció, n, com:
|
(4) |
4.2. Material
-
Equip òptic
de mesura (vegeu la figura 1): 
- Monocromador de xarxa de difracció
(350-800 nm).
- Detector fotovoltaic i amplificador
amb font d’alimentació simètrica (±12
V).

- Portamostres.

- Sistema motoritzat per a l’escombratge
espectral.

- Font de llum amb font d’alimentació
(30 W).

-
Equip d’adquisició
dades (vegeu la figura 1): 
- PC amb port paral·lel (sortides
TTL).
- Multímetre digital TTi-1604
(RS232).
- Programari d’automatització (TR).
-
Dues mostres transparents
en gairebé tot el rang de mesura:
- M1: quars.
- M2: vidre blanc.
-
Dues mostres de vidre
de color (vidre blanc de la mostra M2 amb inclusions metàl·liques).
- M3: vidre blau.
- M4: vidre vermell.
-
Tres mostres de color
similar (groc) però amb diferent mecanisme d’absorció.
- M5: vidre groc.
- M6: filtre Schott 04515.
- M7: filtre Supergel #11.
|
Figura 1. Esquema del sistema
òptic i d’adquisició de dades de l’espectrofotòmetre
de transmitància òptica. |
4.3. Procediment experimental
Mesureu els espectres de transmitància
T(l) en la regió
del visible de cadascuna de les mostres executant el programa TR:
- Introduïu el nom de la mostra (sample
name).

- Mesureu el background (obturador
tancat
).
- Introduïu
el valor de la longitud d’ona en què està
el monocromador (current wavelength).

- Interval de mesura (wavelength range)
360-800 nm.

- Increment (wavelength step) 10 nm.
- Mesureu la referència (obturador
obert sense mostra
).
- Col·loqueu la mostra en l’espectrofotòmetre
fixant-vos en el sentit indicat per les fletxes.

- Mesureu la mostra (measure sample).
- Guardeu el fitxer (save transmittance).
4.4. Elaboració de l’informe
-
Escriviu una introducció d’aproximadament
mitja pàgina en què s’expliqui l’objectiu
de la pràctica i es descrigui el mètode emprat.
-
Presenteu les gràfiques T(l)
i n(l) de les mostres
de quars i de vidre (M1 i M2). Aquestes mostres comencen a presentar
absorció a la regió de longituds d’ona més
curtes. Comenteu com s’observa aquest fenomen en les mesures.
Tingueu cura d’utilitzar els mateixos rangs per als
eixos de totes les gràfiques per tal que siguin comparables.
-
Representeu les gràfiques T(l)
i A(l) de les mostres
de vidre M2, M3 i M4. Indiqueu les diferències que observeu
en les gràfiques.
-
Representeu les gràfiques T(l)
i A(l) de les mostres
grogues M5, M6 i M7. Tot i presentar un color semblant, quines
diferències s’observen entre els espectres del vidre
groc (mostra M5) i els dels filtres M6 i M7.
-
Presenteu una llista de mecanismes d’absorció
de llum (amb una breu explicació) i relacioneu-los, si
escau, amb els comportament observats en les diferents mostres
caracteritzades.
4.5. Qüestions
-
Per què el vidre és transparent
a la llum visible, però és opac a les radiacions
UV i IR?
-
Digueu alguns exemples de materials transparents
a l’IR però opacs a la llum visible
|