Spektroskoopia alused (LOFY.02.019, LOFY.01.024)

Aineprogramm | Õpiväljundid | Õppematerjalid | Õppejõud

Aineprogramm

Spektroskoopia üldmõisted

  1. Sissejuhatus. Spektroskoopia olemus ja rakendused, seos optika ja fotoonikaga. Spektri (spektraalkarakteristika) mõiste.
  2. Elektromagnetkiirgus. Elektromagnetlainete olemus. Harmooniline tasalaine kui monokromaatilise kiirguse mudel. Kiiritustihedus, valguse rõhk ja pöördemoment, polarisatsioon. Elektromagnetlainete tekkimise mehhanism. Kiirguse kvantteooria, footoni mõiste, seosed laine- ja kvantaspektide vahel. Haavelmüra. Spektraalmuutujad. Elektromagnetlainete skaala. Kiirguse spektraalkoostise kirjeldamine.
  3. Kiirguse neeldumine aines. Valguse levimise mehhanism homogeenses materiaalses keskkonnas (Huygensi-Fresneli printsiip, murdumisnäitaja, dispersioon). Bouguer-Lambert’i seadus, neeldumiskoefitsient. Neeldumisristlõige ja Beeri seadus, selle rakendus keemilises analüüsis. Läbilaskvus ja optiline tihedus/neelduvus. Läbilaskvus-, peegeldus- ja neeldumisspektrite mõõtmise põhimõtted.
  4. Luminestsents. Luminestsentsi olemus ja vastandumine soojuskiirgusele. Järelhelenduse kustumise kineetika. Fotoluminestsents. Luminestsentsi intensiivsuse ja eluea temperatuurisõltuvus. Luminestsentsi mõõtmine.
  5. Spektrijoonte kuju ja laius. Spektrijoonte kvantitatiivne kirjeldamine. Spektrijoonte laienemise elementaarsed mehhanismid ja nende analüüs klassikalise mudeli alusel (loomulik laius, põrke- ja Doppleri laienemine). Spektri mittehomogeenne laienemine tahkises ja selle rakendused. Spektrijoonte põhilised mudelprofiilid (Lorentz, Doppler, Voigt).

Spektraalkarakteristika seos aine ehitusega

  1. Aatomispektroskoopia. Vesinikusarnased (ühe-elektronilised) aatomid. Bohri teooria. Kvantmehaaniline teooria, kvantarvud. Vesinikuspektri peenstruktuur. Mitmeelektronilise aatomi energiatasemete klassifitseerimine (elektronkonfiguratsioon, Russell-Saundersi seos). Dipoolsiirded ja nende valikureeglid.
  2. Võnkespektroskoopia. Kahe-aatomilise molekuli potentsiaalikõver, võnke- ja pöörlemisseisundid. Mitmeaatomilise molekuli võnkeseisundid, normaalvõnkumised. Kombinatsioonhajumise nähtuse olemus ning klassikaline ja kvantmehaaniline elementaarkäsitlus. Valikureeglid. Kombinatsioonhajumine kristallil. Kombinatsioonhajumine vs infrapunaneeldumine.
  3. Kristalliliste ainete optilised omadused. Kristalli tsooniteooria: elektron perioodilises potentsiaaliväljas. Tsooniteooria vs elektrijuhtivus. Elektronid, augud, eksitonid jm kvaasiosakesed. Pooljuhtide ja dielektrikute neeldumisspektri üldised iseärasused, fundamentaalneeldumisserv.

Optilise spektroskoopia aparatuur

  1. Valgusallikad. Valgusallikate liigitus spektroskoopilise eksperimendi kontekstis. Tasakaaluline kiirgus ja hõõgkehad. Gaaslahenduslambid. Valgusdioodid. Sünkrotron.
  2. Laserid. Stimuleeritud kiirgus, pöördhõive ja valguse võimendamine. Laseri tööpõhimõte. Laserikiire omadused. Laserite tüübid.
  3. Spektraalriistad. Spektraalseadmete liigitus ja põhikarakteristikud. Kiirguse ruumilise dispergeerimise peamised meetodid (prisma, võre), vastavate spektraalseadmete ehituse põhimõtted. Difraktsioonvõre spektraalomadused. Fourier' spektromeetri tööpõhimõte.
  4. Kiirguse vastuvõtjad. Kiirgusdetektorite liigitus ja põhikarakteristikud. Spektroskoopiliste detektorite tööpõhimõtted. Vaakumfotoelement ja fotoelektronkordisti. Fotodiood. CCD sensor.

Õpiväljundid

Aine läbinud üliõpilane teab/oskab:

  1. selgitada spektroskoopia erinevust optikast.
  2. põhiliste spektraalmuutujate (lainepikkus, sagedus, lainearv, energia) tähendust, vastavalt teisendada spektrijoone asukohta, kasutada kiiritustiheduse ja footonite voo tiheduse mõisteid.
  3. läbilaskvus-, peegeldus- ja neeldumisteguri mõisteid, rakendada Bougueri-Lamberti-Beeri seadust.
  4. Rayleigh hajumise vaatlemise tingimusi ja spektraalomadusi.
  5. soojuskiirguse ja luminestsentsi erinevust ning fluorestsentsi kvantsaagise, ergastusspektri ja kustumisaja mõisteid.
  6. lihtsaima aatomi energiatasemete skeemi (v.a. peenstruktuur) ja selle seost kvantarvudega.
  7. kiirguse (footonite) ja aine (aatomite) vahelise interaktsiooni elementaarakte (Einsteini käsitluse järgi) ja nende kvalitatiivseid sarnasusi ja erinevusi.
  8. kaheaatomilise molekuli lihtsaimat mudelit ja molekuli hajumisspektris leiduvate Raman-piikide päritolu (sh seost Ramani nihke ja molekuli võnkesageduse vahel).
  9. levinumate spektroskoopiliste kiirgusallikate (hõõglamp, ksenoonlamp, deuteeriumlamp, spektraallamp, laser) spektrite põhilisi iseärasusi ja sellest tulenevaid rakendusvõimalusi spektroskoopias, absoluutselt musta keha kiirgusspektrit iseloomustavaid seaduseid.
  10. üldotstarbeliste spektraalseadmete (monokromaator, spektrofotomeeter, spektrofluorimeeter) otstarvet, spektraalseadme dispersiooni, lahutusvõime ja spektraalpilu tähendust ning seoseid nende vahel.
  11. kiirgusvastuvõtja (spektraalse) tundlikkuse tähendust ja kõige levinumate kiirgusvastuvõtjate (fotoelektronkordisti, fotodiood, CCD) tööpõhimõtteid.

Õppematerjalid

Loengukonspekt PDF formaadis Lae alla

Kursuse põhivara PowerPoint Lae alla ja PDF formaadis Lae alla (viimases puuduvad animatsioonid!)

Valitud teemasid käsitlevad Mathcad'i töölehed, mis võimaldavad katsetada "elavate" näidetega:

Pealkiri MC PDF
Analüütide sisalduse määramine lahuses neeldumise kaudu Lae alla Lae alla
Luminestsentsi järelhelenduse kineetika mõõtmise simulatsioon Lae alla Lae alla
Neeldumine, stimuleeritud kiirgus, pöördhõive, optiliselt võimendav keskkond Lae alla Lae alla
Fourier' spektromeetri simulaator Lae alla  

Eestikeelseid optilise spektroskoopiaga seostuvaid materjale veebis:

Muid abimaterjale veebis:

Vastutav õppejõud

Valter Kiisk
W. Ostwaldi 1 (Füüsikum), kabinet D307
Töötel. 7374742, GSM 55964683
E-post: