3.11. Spektroskopie UV/VIS

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1 3.11 Spektroskopie UV/VIS Spektroskopie UV/VIS Ziel In diesem Experiment sollen die Spektralverteilungen verschiedener Lichtquellen sowie das Transmissionsvermögen verschiedener Körper für elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes und der angrenzenden Bereiche untersucht werden. Insbesondere soll die Wirkungsweise von Sonnenbrillen und Sonnenschutzcremes untersucht werden. Sie dürfen (und sollen sogar) für dieses Experiment gerne Ihre eigenen Proben mitbringen. Hinweise zur Vorbereitung Die Antworten auf diese Fragen sollten Sie vor der Versuchdurchführung wissen. Sie sind die Grundlage für das Gespräch mit Ihrer Betreuerin/Ihrem Betreuer vor dem Versuch. Informationen zu diesen Themen erhalten Sie in der unten angegebenen Literatur. 1. Welchen Wellenlängen umfasst das sichtbare Spektrum in etwa? Wie werden die direkt angrenzenden Spektralbereiche genannt? Nicht alles Licht, das auf ein Medium trifft, wird transmittiert. Selbst dann nicht, wenn das Medium (weitestgehend) transparent ist. Welche Vorgnge tretennochauf? Was besagt das lambert-beersches Gesetz? 2. Was ist Schwarzkörperstrahlung? Wie lautet das wienscheverschiebungsgesetz? Wie sieht das Sonnenspektrum qualitativ aus? 3. Wie funktionieren Glasfaserkabel als Lichtleiter? Wie funktionieren Gasentladungslampen, wie Leuchstofflampen? Zubehör Kompakt-Spektrometer λ = 190 nm nm mit USB-Anschluss PC zur Steuerung des Spektrometers Lichtquelle mit getrennt schaltbarer Halogenlampe und Deuteriumlampe zwei Glasfaserkabel (ACHTUNG: sehr knickempfindlich und leider auch sehr teuer!) Stativ mit Klemmen für Transmissionsmessungen diverse Lichtquellen Dieser Abschnitt: Revision: 129, Date: :15: (Fr, 20. Apr 2012)

2 Versuche zur Optik Grundlagen Sichtbares Licht Das menschliche Auge reagiert auf elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen (im Vakuum) von ca. 380 nm bis ca. 780 nm mit dem Sinneseindruck hell. 1 Die angrenzenden Spektralbereiche rufen keinen derartigen Sinnesreiz hervor, können aber bei entsprechender Intensität durchaus dauerhafte Schäden am Auge hervorrufen, sodass hier besondere Vorsicht geboten ist. Abbildung : Spektrale Empfindlichkeit der menschlichen Sehzellen. Eine gängige Einteilung der Spektralbereiche ist in Tabelle dargestellt. Das im Praktikumsversuch verwendete Spektrometer ermöglicht Untersuchungen im Wellenlängenbereich 850 nm λ 190 nm, also vom nahen Infrarot über das gesamte sichtbare Spektrum bis zum Vakuum-Ultraviolett. Versuchsdurchführung 1. Starten Sie die Spektroskopiesoftware und schließen Sie das Spektrometer und die Lampeneinheit an. 2. Machen Sie sich unter Anleitung durch Ihre Betreuerin/Ihren Betreuer mit der Bedienung des Programms vertraut (Integrationszeit, Skalierung, Betriebsarten). 3. Nehmen Sie die Emissionsspektren der beiden im Lampengehäuse eingebauten Lichtquellen auf. Montieren Sie dann den cos 2 -Rezeptor auf das Glasfaserkabel des Spektrometers und nehmen Sie zusätzlich die Emissionsspektren mindetens fünf anderer Lichtquellen auf. Hier einige Beispiele: 1 Dieser Bereich ist nicht scharf begrenzt. Die Empfindlichkeit der menschlichen Sehzellen nimmt zu den Rändern dieses Bereichs hin stark ab, so dass es letztlich von der Intensität der Strahlung abhängt, ob sie noch sichtbar ist (siehe auch Abbildung ). 2 Dieser Wellenlängenbereich wurde früher als weiche Röntgenstrahlung ( engl. soft X-ray) bezeichnet, dann aber aus kosmetischen Gründen in EUV umbenannt ein ähnlicher Vorgang wie bei der Kernspintomographie, die heute als Magnetresonanztomographie ( engl. Magnetic Resonance Imaging = MRI ) bezeichnet wird, möglicherweise auch, um das Wort Kern zu vermeiden. 3 Die Obergrenze der Energie von Photonen in der Höhenstrahlung (und damit gleichzeitig der höchstenergetischen bekannten γ-strahlung) ist unklar, die Interpretation der experimentellen Ergebnisse ist derzeit (Stand 2006) offen. Es ist aber davon auszugehen, dass zumindest die sog. Planck- Energie E Planck = ev eine Obergrenze darstellt. Die Photonen stellen nur einen kleinen Teil der gesamten Höhenstrahlung dar. Der überwiegende Teil besteht aus Protonen und α-teilchen. Weiterhin kommen auch schwere Atomkerne, Elektronen und Neutrinos vor.

3 3.11 Spektroskopie UV/VIS 375 Abkürzung Bezeichnung Wellenlänge λ im Vakuum Frequenz f Energie E VLF Längstwellen ( engl. very low frequency) λ 10 km 0 f 30 khz 0 E ev LW Langwellen 20 km λ 1km 15 khz f 300 khz ev E ev MW Mittelwellen 1km λ 200 m 300 khz f 1.5MHz ev E ev KW Kurzwellen 200 m λ 10 m 1.5MHz f 30 MHz ev E ev UKW/VHF Ultrakurzwellen ( engl. very high frequency) UHF engl. ultra high frequency 10 m λ 1m 30 MHz f 300 MHz ev E ev 1m λ 0.1m 300 MHz f 3GHz ev E ev Mikrowellen 0.1m λ 1mm 3GHz f 300 GHz ev E ev FIR fernes Infrarot 1000 μm λ 15 μm 300 GHz f Hz ev E ev MIR mittleres Infrarot 15 μm λ 1.4 μm Hz f Hz ev E ev NIR nahes Infrarot 1.4 μm λ 700 nm Hz f Hz ev E 1.77 ev VIS sichtbares Licht ( engl. visible light) 780 nm λ 400 nm Hz f Hz 1.59 ev E 3.1eV UVA Ultraviolett A 400 nm λ 320 nm Hz f Hz 3.1eV E 3.87 ev UVB Ultraviolett B 320 nm λ 280 nm Hz f Hz 3.87 ev E 4.43 ev UVC/VUV Vakuum- Ultraviolett 280 nm λ 190 nm Hz f Hz 4.43 ev E 6.53 ev EUV/XUV extremes 190 nm λ 1nm Hz f Hz 6.53 ev E 1.24 kev Ultraviolett 2 X Röntgenstrahlung ( engl. 12.5nm λ 1.25 pm Hz f Hz 100 ev E 1MeV X-ray) γ γ-strahlung, 0.5nm λ Hz f Hz 2.48 kev E ev Höhenstrahlung 3 Tabelle : Übliche Einteilung der Wellenlängen- und Energiebereiche elektromagnetischer Strahlung. Diese Einteilung unterliegt einer gewissen Willkür und ist nicht international vereinheitlicht. Daher kommt es auch je nach Definition zu Überlappungen der Bereiche. In der Literatur sind durchaus abweichende Einteilungen zu finden.

4 Versuche zur Optik Sonnenlicht mit und ohne Fensterglas, Glühlampe, Leuchtstoffröhre, Energiesparlampe, LED-Taschenlampe, Laserpointer. 4. Richten Sie das Spektrometer für Transmissionmessungen ein. Entfernen Sie den cos 2 -Rezeptor und montieren Sie stattdessen jeweils eine Linse auf die Glasfaserkabel von Spektrometer und Lichtquelle. Schalten Sie die Lampe ein. Achten Sie darauf, dass sowohl die Halogenlampe als auch die Deuteriumlampe in Betrieb sind. Justieren Sie den Strahlengang so, dass möglichst alles Licht in das Spektrometer gelangt. Nehmen Sie als Referenz ein Dunkel- und ein Hellspektrum auf. Schalten Sie auf den Transmissionsbetrieb um. 5. Nehmen Sie mindestens zehn Transmissionsspektren für verschiedene Proben auf. Hier einige Beispiele: Sonnenbrille, Objektträger aus Fensterglas, Objektträger aus Quartzglas, Objektträger aus Quartzglas mit einer dünnen Schicht Sonnenmilch, grünes Blatt, Herbstlaub, Kleidungsstoff (z. B. T-Shirt), Interferenzfilter von einem der anderen Optik-Versuche. Auswertung 1. Stellen Sie die Emissionsspektren graphisch dar. Beschreiben und vergleichen Sie die Spektren. 2. Erstellen Sie bei den Transmissionmessungen jeweils ein Diagramm für den Transmissiongrad.

5 3.11 Spektroskopie UV/VIS 377 Fragen und Aufgaben 1. Schätzen Sie aus dem Maximum des gemessenen Sonnenspektrums mit Hilfe des wienschen Verschiebungsgesetzes die Temperatur der Sonne ab. 2. Warum wird bei modernen (Halogen-)Glühlampen für die Wendel in der Regel Wolframdraht eingesetzt und nicht mehr wie einst von Edison verwendet Kohlenstoff? Ergänzende Informationen Pulsoximetrie Die Pulsoximetrie ermöglicht im medizinischen Bereich durch eine optische Absorptionsmessung die nichtinvasive Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut. Dazu wird der Unterschied in den Absorptionsspektren von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut ausgenutzt. Die Messung der Transmission bei mindestens zwei Wellenlängen ermöglicht dann eine quantitative Aussage über die O 2 -Sättigung. Erstmals veröffentlicht wurde die Methode im Jahr 1942 durch G. A. Millikan [Mil42]. Farbwahrnehmung Die Wahrnehmung von Farben beruht auf der unterschiedlichen Erregung der drei Zapfenarten im menschlichen Auge. Der Vorgang ist recht komplex und es gibt eine Fülle von Publikationen zu diesem Thema. Hier nur der Hinweis auf einige recht informative Webseiten: Internationale Beleuchtungskommission (CIE = Commission Internationale de l Éclairage): specrend.c, ein Programm zur Berechnung von Farbwerten aus Spektren (mit ausführlichen Erläuterungen!): Colour & Vision Research Laboratories at the Institute of Ophthalmology (Tabellen zur Farbempfindlichkeit und Umrechung von Farbwerten mit Hintergrundinformationen): Wikipedia (Stand ): Kurven zur optischen Absorption von Hämoglobin.:

6 Versuche zur Optik Moderne Lichtquellen In den letzten Jahren wurde eine Reihe neuartiger Lichtquellen entwickelt, die jeweils gewissen Vorteile aufweisen. Hier einige Beispiele: OSRAM PLANON R, eine flache quecksilberfreie Gasentladungslampe, Clusterlampe, Schwefellampe. Literaturhinweise Originalveröffentlichung zur Pulsoximetrie von G. A. Millikan aus dem Jahr 1942: [Mil42]. Literaturverzeichnis [Mil42] Millikan, G. A.: The oximeter, an instrument for measuring continuously the oxygen saturation of arterial blood in man. Review of Scientific Instruments, 13: , 1942.

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