Fysica 2 Practicum. De monochromator

Transcriptie

1 Fysica 2 Practicum De monochromator 1. Theoretische uiteenzetting 1.1. Principes Spectrometrie berust op de overdracht van energie tussen elektromagnetische straling en de te analyseren stof. Die overdracht kan op twee manieren plaatsvinden. Enerzijds kan het meetmonster energie uit de stralingsbundel opnemen waardoor de bundel wordt verzwakt. Dit is een absorptieproces. Anderzijds kan het monster weer stralingsenergie afgeven : er vindt dan een emissieproces plaats. De spectrometer in het labo werkt in het ultraviolet (UV) en het zichtbare (VIS) gebied. Men spreekt dan van UV/VIS-spectrometrie. De absorptie of emissie van straling door atomen of moleculen wordt beschreven door middel van overgangen van elektronen tussen de beschikbare energieniveaus. Bij absorptie van straling zal het atoom of de molecule vanuit de grondtoestand in aangeslagen toestand gebracht worden. Hiervoor moet de energie van de geabsorbeerde fotonen gelijk zijn aan het energieverschil tussen twee energietoestanden van het atoom : E foton = E = E 2 E 1 Fig. 2.1.a : Absorptie van een foton. Fig. 2.1.b : Emissie van een foton. Omgekeerd zal bij een emissieproces een foton ontstaan waarvan de energie gelijk is aan het energieverschil tussen de betrokken energieniveaus (zie Fig. 2.1.b). Daar elk atoom en molecule zijn eigen karakteristieke energieniveaus bezit zal een absorptiespectrum evenals een emissiespectrum informatie geven over de structuur van de onderzochte stof. Monochromator 1

2 1.2. Meettoestel Een spectrometer is een toestel dat toelaat de absorptie te meten van invallende elektromagnetische straling door een monster in functie van de golflengte. Het blokdiagram van de fotospectrometer is voorgesteld in Fig Bron Monochromator Monster Detector Signaalverwerking Fig. 2.2 : Blokdiagram van een fotospectrometer. Alle spectrometers bevatten : Een stralingsbron die een continu spectrum levert over het golflengtegebied waarin men geïnteresseerd is. Een monochromator die zorgt voor de dispersie van het beschikbare spectrum en via een aangepaste breedte van de uittreespleet een quasi-monochromatische lichtbundel levert. Een detector die de doorgelaten straling omzet in een elektrisch signaal. Een monsterhouder van de te analyseren stof. Een signaalverwerkende component die toelaat de respons van de detector af te lezen en/of te registreren. Het principeschema van het toestel is voorgesteld in Fig Fig. 2.3 : Principeschema van een fotospectrometer. Q=lichtbron; L=condensorlens; Sp 1 =intreespleet; L 1 =collimeerlens; F=monster; G=disperserend element (reflectierooster of prisma); L 2 =collimeerlens; Sp 2 =uittreespleet; E=detector De stralingsbron Meestal gebruikt men als stralingsbron in het zichtbaar gebied een gloeilamp met wolfraam gloeidraad. Het nuttig golflengtegebied van dergelijke gloeilamp ligt tussen 325 nm en Monochromator 2

3 3000 nm. In het UV-gebied gebruikt men een waterstof- of deuteriumgasontladingslamp. Deze levert een spectrum dat zich uitstrekt van 185 nm tot 375 nm. UV-bronnen hebben een kwartsvenster aangezien gewoon glas niet voldoende transparant is voor UV-straling. De intensiteit van het uitgezonden spectrum is sterk golflengteafhankelijk : sommige golflengtes zullen sterker vertegenwoordigd zijn in het spectrum dan andere. Bij metingen zal men hiermee rekening moeten houden. Fig. 2.4 : Het zichtbare spectrum De monochromator De monochromator heeft als taak de invallende lichtbundel op te splitsen in zijn samenstellende golflengten en uiteindelijk een monochromatische bundel te leveren. Hiervoor heeft men op de eerste plaats een element nodig dat zorgt voor de eigenlijke dispersie. Als disperserend element gebruikt men ofwel een prisma ofwel een diffractierooster. Het toestel in het labo werkt met een diffractierooster. Er bestaan twee soorten diffractieroosters : transmissieroosters en reflectieroosters. Een transmissierooster bestaat uit een groot aantal evenwijdige, dicht tegen elkaar gegroefde equidistante lijnen op een glasplaatje. Een rooster, geschikt voor diffractie in het UV en het visueel gebied bevat 2000 tot 6000 lijnen per mm. Reflectieroosters genieten echter de voorkeur boven transmissieroosters omdat zij een compactere constructie van het toestel toelaten. Een reflectierooster ziet eruit zoals voorgesteld op Fig. 2.7.a. Het reflecterende oppervlak is zodanig gepolijst dat er brede vlakken zijn waarop de invallende straling gereflecteerd wordt en smalle vlakken die onbenut blijven. Fig. 2.7.a : Schematische voorstelling van een reflectierooster. Elk van de brede vlakken fungeert als een puntbron van weerkaatste straling. Er ontstaat dus interferentie tussen de teruggekaatste golven (1), (2) (zie Fig. 2.7.b). Er zal maximaal Monochromator 3

4 constructieve interferentie optreden als het weglengteverschil een geheel aantal golflengten nλ bedraagt. 1 2 i r i r d Fig. 2.7.b : Aanduiding van het weglengteverschil voor evenwijdig invallende stralen op een reflectierooster. Beschouwt men nu de golven (1) en (2) op Fig. 2.7.b, dan blijkt dat het weglengteverschil tussen die twee golven a+b bedraagt. De voorwaarde voor constructieve interferentie luidt dan : nλ = a + b Door toepassing van wat eenvoudige trigonometrie vindt men onmiddellijk: a = d sin i en b = d sin r met d : afstand tussen de reflecterende puntbronnen i : hoek tussen de invallende bundel en de roosternormaal r : hoek tussen de gereflecteerde bundel en de roosternormaal (2.1) (2.2) (2.3) Substitueert men (2.2) en (2.3) in (2.1) dan krijgt men : nλ = d(sin i + sin r) (2.4) Uit (2.4) blijkt dat voor n = 1, in een richting die een hoek r insluit met de roosternormaal, enkel licht met golflengte λ een sterk intensiteitsmaximum zal vertonen. Voor n = 2 zal in dezelfde richting enkel licht met golflengte λ/2 gediffracteerd worden met een sterk intensiteitsmaximum; voor n = 3 De golven met golflengte λ behoren tot wat men het eerste orde spectrum noemt. Alle andere golflengten (λ/2, λ/4,...) die in een bepaalde richting worden gediffracteerd behoren tot zogenaamde hogere orde spectra. Om een monochromatische gediffracteerde bundel te bekomen, moeten golven die tot hogere orde spectra behoren zoveel mogelijk geweerd worden uit de gediffracteerde bundel. Dit gebeurt door gebruik te maken van filters. Het Monochromator 4

5 resultaat is dus ruimtelijke dispersie van de invallende bundel : in elke richting wordt slechts straling uitgezonden van één welbepaalde golflengte. Het belangrijkste voordeel van roosters tegenover prisma's is dat de ruimtelijke dispersie bij een rooster onafhankelijk is van de golflengte. Dit wordt geïllustreerd in Fig Fig. 2.8 : Dispersie voor drie types monochromatoren. De punten A en B op de schaal corresponderen met punten A en B op fig. 2.4 en fig Naast een disperserend element moet een monochromator ook nog bevatten (zie Fig. 2.3) : een condensorlens L die de invallende stralingsenergie focusseert op de ingangsspleet Sp 1. een collimatorlens L 1 die de divergerende bundel omzet in een parallelle bundel. een collimatorlens L 2 die de parallelle bundel focusseert in het vlak van de uittreespleet Sp 2. intreespleet Sp 1 en uittreespleet Sp 2. Door het reflectierooster te roteren kan men ervoor zorgen dat de lichtbundel met gewenste golflengte invalt op de uittreespleet en doorgelaten wordt. De bundel die de uittreespleet passeert zal nog steeds een bepaalde bandbreedte bezitten. Dit betekent dat deze bundel samengesteld is uit meerdere golflengten. De nominale golflengte van de uittredende bundel is de golflengte waarvoor de intensiteit maximaal is. De volledige breedte op halve hoogte van de intensiteitspiek (zie Fig. 2.9) wordt de spectrale bandbreedte genoemd. Hoe kleiner de spectrale bandbreedte, hoe hoger het scheidend vermogen of de resolutie van het toestel. Fig. 2.9 : Spectrale intensiteitsverdeling van de uittredende bundel. Monochromator 5

6 De bandbreedte zal afhankelijk zijn zowel van het disperserend element als van de breedte van de uittreespleet. Hoe smaller de uittreespleet, hoe kleiner de bandbreedte van de bundel. Naarmate de spleetbreedte kleiner wordt, zal echter ook de intensiteit van de doorgelaten bundel kleiner worden, zodanig dat bij extreem kleine spleetbreedte de straling nauwelijks te detecteren is. Er zal dus naar een compromis moeten gezocht worden tussen intensiteit en bandbreedte De detector (fotomultiplicator) Een fotobuis of fotocel wordt algemeen gebruikt als detector in het UV/VIS-gebied. Een fotobuis bestaat principieel uit een fotokathode en een anode. Wanneer een foton invalt op de fotokathode worden er door de kathode één of meer elektronen uitgezonden ten gevolge van het foto-elektrisch effect. Deze elektronen worden aan de anode gecollecteerd en veroorzaken een kleine stroompuls. Dit stroompulsje kan versterkt worden en als detectiesignaal gebruikt worden. Bij de fotomultiplicatorbuis wordt de elektronenstroom nog een aantal keren versterkt vooraleer hij aan de anode gecollecteerd wordt (zie Fig. 2.17). Fig : Fotomultiplicatorbuis. Een fotomultiplicatorbuis is dus veel gevoeliger dan een fotocel zodat het mogelijk wordt veel zwakkere straling te detecteren Het monster Het monster moet ergens in de al dan niet opgesplitste bundel geplaatst worden. Dit mag zowel vóór de monochromator zijn, in de monochromator als erachter. Men moet er wel voor zorgen dat de bundel op de plaats van het monster voldoende gefocusseerd is en dat de bundeldiameter niet groter is dan de doorsnede van het monster. Monochromator 6

7 Een meting van de absorptie gebeurt steeds in twee fazen : eerst meet men de intensiteit van de straling van een bepaalde golflengte bij afwezigheid van de absorberende stof (blanco-bepaling); nadien meet men de intensiteit van de doorgelaten bundel doorheen het monster. De verhouding van de tweede gemeten intensiteit tot degene die eerst gemeten werd geeft als resultaat de transmissie T van het monster De bandgap van een halfgeleider In figuur 3.2 vergelijken we een geleider, een isolator en een halfgeleider met mekaar. Fig. 3.2 : Schematische voorstelling van de bandenstructuur voor een isolator, een halfgeleider en een geleider (metaal). E g stelt de grootte voor van de bandgap. Een fotodiode is in wezen een halfgeleider die stroom geleidt wanneer de frequentie van het invallende licht overeenkomt met een energie die minstens zo groot is als E g. Voor lagere frequenties (dus grotere golflengtes) geleidt de fotodiode geen stroom. De bovengrens voor de golflengte noemen we λ max. De waarde van de bandgap is afhankelijk van het halfgeleidermateriaal. In onderstaande tabel geven we enkele referentiewaarden. Halfgeleider λ max (nm) E g (ev) GaAs GaP Si Ge Tabel 3.1 : Maximale golflengte en bandgap van enkele halfgeleiders. (uit S.M. Sze, Semiconductor devices, Physics and technology, New York : Wiley (1985) 513) Het verband tussen λ max en E g is λ = h.c max E g met h = 6, Js, de constante van Planck en c de lichtsnelheid. Monochromator 7

8 1.4. Absorptie van UV-straling Zonnebrillen dienen niet alleen om de intensiteit van het licht te temperen, ze moeten ook en vooral je ogen beschermen tegen schadelijke UV-stralen. Een zonnebril dragen die alleen maar minder licht doorlaat en geen UV-straling absorbeert, is trouwens veel gevaarlijker dan gewoon geen zonnebril dragen. Langdurige blootstelling aan UV-stralen kan leiden tot blijvende beschadiging van het hoornvlies. Op basis van de biologische effecten, wordt UV-straling verdeeld in UV-A ( nm), UV- B ( nm) en UV-C ( nm). Hoe kleiner de golflengte, des te schadelijker is de straling. De meest schadelijke soort UV- C, bereikt het aardoppervlak echter niet. De ozonlaag filtert al een flink deel van de UV-B straling weg, maar deze is voor de huid en de ogen wel de schadelijkste component. 1. THEORETISCHE UITEENZETTING PRINCIPES MEETTOESTEL De stralingsbron De monochromator De detector (fotomultiplicator) Het monster DE BANDGAP VAN EEN HALFGELEIDER ABSORPTIE VAN UV-STRALING... 8 Monochromator 8