Analise Espectro eletromagnética: Ultravioleta, visível e infravermelho

PROF. DRA. ADR IANA DANTASDISC IPL INA: ANÁL ISE INSTRUMENTALCURSO: C IÊNC IA E TECNOLOGIA DE AL IMENTOSUERGS, CAX IAS DO SUL , RS

Onda eletromagnéticoQuando acendemos uma vela, ligamos uma lâmpada incandescente:

presença da luz.

Maxwell identificou essa luz como sendo uma onda eletromagnética;

Outras ondas eletromagnéticas foram descobertas com comprimentos de ondas raio da Terra (aproximadamente 6.370 km) núcleo atômico (aproximadamente 10-15 m).

É a distribuição da intensidade da radiação eletromagnética com relação ao seu comprimento de onda ou frequência.

Exemplos de ondas eletromagnéticas as ondas de rádio, as micro ondas, os raios infravermelhos, os raios ultravioleta, os raios X, os raios gama e os raios cósmicos.

O conjunto destas ondas é chamado de espectro eletromagnético.

Espectro eletromagnético Composto por ondas que se propagam no vácuo com a velocidade da luz (c = 3.108 m/s)

O espectro eletromagnético com as muitas frequências e comprimentos de onda que a compõem:

◦ relacionados pela expressão c = . f,◦ representa o comprimento de onda, ◦ em metros (m),◦ f a frequência da onda eletromagnética, medida em Hertz (Hz).

Observação: quando dizemos que temos uma onda eletromagnética do tipo infravermelha, ou simplesmente, radiação infravermelha, na verdade temos um conjunto de ondas dentro de um intervalo de frequências (ou comprimentos de onda) que receberam essa denominação.

Regiões do Espectro Eletromagnético

Valores de comprimento de onda, frequência e energia para regiões do espectro eletromagnético.

Comprimentos de onda com valores em unidades de medida adequadas

Unidades usadas para o comprimento de onda de algumas radiações eletromagnéticas

Luz do espectro eletromagnético A luz visível é apenas uma pequena faixa de vibrações eletromagnéticas presentes no espectro eletromagnético.

Atmosfera da Terra permite que apenas uma parte dessa radiação. Esse filtro é um papel muito importante na evolução da vida orgânica na terra. Ondas Curtas é absorvida nas camadas atmosféricas e ondas longas são refletidas, que permite maiores ondas de transmissores terrestres de ser apanhada a longa distância.

A existência da janela de rádio permitiu o desenvolvimento da radioastronomia. A natureza da luz é a mecânica quântica para o qual é simultaneamente uma onda e uma partícula.

Representação gráfica do espectro eletromagnético

Intervalo de frequência da luz visível corresponde a uma faixa muito pequena, sendo a menor de todas.

As ondas de rádioUma onda de rádio é uma onda eletromagnética cuja frequência é inferior a 3 000 GHz, um comprimento de onda maior que 0,1 mm.

O som é uma vibração da matéria, ou ondas de rádio são ondas eletromagnéticas da mesma natureza, como a luz, ou seja, perturbações de campos elétricos e magnéticos.

O som vai apenas a 300 m/s, enquanto as ondas eletromagnéticas, juntamente com a velocidade da luz é de 299 792 458 m/s.

Uma antena de rádio transmissor produz a luz como um neon, mas é como as ondas de rádio que os nossos olhos e nossos ouvidos conseguem perceber.

Micro-ondas São ondas eletromagnéticas de comprimento de onda intermediária entre as ondas infravermelhas e de rádio. As micro-ondas são utilizadas em muitas aplicações, rádio, radar, televisão, internet...

Os mais conhecidos são as micro-ondas geradas em nossos fornos, eles estão entre as ondas de luz têm menos energia, menos energia que as ondas visível ou infravermelho que emergem de um forno convencional.

As micro-ondas têm a vantagem de não aquecer o material, enquanto o forno estiver à temperatura ambiente.

A energia penetra quase que instantaneamente no alvo, o tempo de aquecimento e os ciclos industriais são significativamente reduzido.

As ondas infravermelhas

Ondas infravermelhas « abaixo do vermelho » são ondas eletromagnéticas de comprimentos de onda intermédios entre as micro-ondas e luz visível menores do que aqueles das ondas de luz vermelho.

O comprimento de onda dos infravermelhos varia entre 780 e 1 000 nm, 000 nm, isto é, 1 milímetro.

Infravermelhos são usados para aquecer o material na indústria automotiva, alimentícia, têxtil, cuidados com o corpo.

Os LEDs utilizados nos controlos remotos de televisão ou outros dispositivos também emitem radiação infravermelha.

Espectros de luz natural

O arco-íris é um fenômeno natural que transmite o espectro da luz, por reflexão nas gotículas de água suspensas no ar, tais como as nuvens, por exemplo.

Na foto contra o arco-íris aparece-nos como uma composição de cores, incluindo vermelho é fora do arco e violeta em seu interior, entre estas duas cores são, vermelho, laranja, amarelo, verde e azul.

Todas as gotas iluminadas pelo sol aparecem coloridas para um observador que está situado em um ângulo "olhos-sol-gotículas" de aproximadamente 42°.

Quando o sol se eleva acima de 41° para o horizonte, o arco-íris não é mais visível, que é por isso que no arco-íris são visíveis apenas na parte da manhã ou à noite, por um observador que está situado ao nível do mar.

A luz visível É apenas uma pequena gama de vibrações eletromagnéticas presentes no espectro eletromagnético.

Visíveis ao olho humano, estão incluídos nos comprimentos de onda de 0,38-0,78 micron.

380 nanômetros por o violeta a 780 nm para o vermelho.

A luz está intimamente ligado ao conceito de cor.

Newton proposto pela primeira vez no século XVII, um círculo de cores cromáticas baseado na decomposição da luz branca.

A luz solar é a fonte primária de energia emitida pelo sol.

Ela fornece os ecossistemas terrestres via fotossíntese.

O Espectro da luz visível

O espectro visível pode ser subdividido de acordo com a cor, com vermelho nos comprimentos de onda longos e violeta para os comprimentos de onda mais curtos.

A luz tem um comprimento de onda, que determina a cor

Vermelho, no comprimento de onda de 700 nanômetros, o Orange 650 nm, 600 nm, amarelo, verde de 550 nm, 500 nm Azul Violet 450 nm.

A radiação ultravioletaUV

Onda entre o da luz visível e os raios-X

A faixa de radiação UV é subdividida◦ UVA (400-315 nm)◦ UVB (315-280 nm)◦ UVC (280-10 nm)

UV-A emitida pelo Sol, quase 95% da radiação UV que atinge a superfície da Terra.

UV-B, responsáveis pelo bronzeamento, têm a atividade biológica significativa, mas não penetra além das camadas superficiais da pele.

◦ Parte da energia solar UV-B são filtrados pela atmosfera.

UV-C, são os mais nocivos raios UV, mas são totalmente filtrada pela camada de ozônio da atmosfera e, portanto, não alcançam a superfície da Terra.

◦ As lâmpadas UV-C são usados em laboratório de biologia para esterilizar os quartos ou unidades.

Cerca de 5% da energia do Sol é emitida como radiação UV. A visão dos insetos, como abelhas, amplia o espectro da radiação ultravioleta (UV-A). Black luz ou de Wood (inventor Robert William Wood), é composto de uma luz violeta e ultravioleta (cerca de 375 nm), com um ligeiro pico em torno de 405 nm o que o torna um pouco esclarecedora.

nota: A faixa de radiação UV é dividida em UVA fótons que têm um comprimento de onda entre 400 e 315 nm, UVB (315-280 nm) e UVC (280-100 nm).

Se uma parte da energia solar UVB são filtrados pela atmosfera, o UVC é filtrada através de que a camada de ozônio da atmosfera e, portanto, não teoricamente a superfície terrestre.

Os raios X Descoberto em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Roentgen

São ondas eletromagnéticas de alta frequência entre 5 e 10 nanômetros picometros, entre os raios ultravioleta e raios gama.

A radiação ionizante é utilizada em várias aplicações, incluindo imagens médicas e cristalografia.

A radiografia médica é baseada no fato de que os ossos são um pouco mais radiopacos do que a carne.

Raios-X e raios gama são semelhantes em natureza (que consiste de fótons), mas são produzidos de forma diferente.

Os raios X são produzidos por transições eletrônicas (mudança de órbita dos elétrons)◦ penetram facilmente matéria mole, a escassos sólidos constituídos por elementos leves, como carbono,

oxigênio e nitrogênio

Os raios gama são produzidos durante a desintegração radioativa de núcleos atômicos◦ absorvidos pelo material rígido consiste em elementos pesados através do ar e da atmosfera.

Os raios gama químico francês Paul Villard (1860-1934)

São fótons de energia muito alta (para além 100keV) suficiente para remover um elétron de sua órbita.

Eles têm um comprimento de onda muito curto, menos de 5 metros do pico,◦ produzido pela desintegração nuclear, especialmente nos seios das estrelas

maciças no final da vida.

Os raios gama produzem danos semelhantes aos produzidos por raios-X ou ultravioleta (queimaduras, câncer e mutações genéticas).

Fontes de raios gama que observamos no Universo vêm de estrelas massivas (hypernova) que terminam suas vidas por um colapso gravitacional, levando à formação de uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Os fótons da radiação eletromagnética

Toda radiação eletromagnética é composta de um feixe de partículas denominadas fótons.

Sempre que você estiver em contato com a luz, seja qual for o tipo de luz, ◦ por exemplo, do Sol, das estrelas ou de uma lâmpada elétrica, você estará em contato com os fótons.

Essas partículas, os fótons, estão em todo o Universo com certeza e em todas as suas regiões.◦ São muito numerosos no Universo. ◦ Excedem em muito as demais partículas.

Se os fótons são tão numerosos, por que não sentimos os seus efeitos? ◦ Na realidade, podemos sentir os efeitos associados à presença de grande número de fótons. ◦ Por exemplo, só podemos ver um objeto ao nosso redor se tivermos luz à nossa disposição.

FÓTONS. Quando a radiação eletromagnética é emitida ou absorvida, ocorre uma transferência permanente de energia no objeto emissor ou no meio absorvente.

Toda a radiação eletromagnética é quantizada em fótons: ◦ isto é, a menor porção de radiação eletromagnética que pode existir é um

fóton, ◦ qualquer que seja seu comprimento, frequência ou energia.

Fótons estão sempre se movendo a velocidade da luz (a qual varia de acordo com o meio no qual ela viaja) em relação a todos os observadores.

Os fótons são partículas que apresentam propriedades:

1º) São partículas que não apresentam massa.

2º) São partículas que possuem energia bem definida.

Espectro eletromagnéticoA pequena banda denominada luz compreende comprende o conjunto de radiações para as quais o sistema visual humano é sensível.A banda do ultravioleta é formada por radiações mais energéticas que a luz (tem menor comprimento de onda) por isso que penetra mais profundamente na pele, causando queimaduras quando você fica muito

tempo exposto à radiação solar.

A banda de raios X é mais energética que a ultravioleta e mais penetrante isso explica porque é utilizada em medicina para produzir imagens do interior do corpo humano.

As radiações da banda infravermelha são geradas em grande quantidade pelo Sol, devido à sua temperatura elevada; entretanto podem também ser produzidas por objetos aquecidos (como filamentos de lâmpadas).

Propriedades da radiação eletromagnética

A luz pode ser considerada como uma forma de energia radiante que é propagada como

ondas transversas.

Propagação da radiação eletromagnética

Parâmetros de uma ondaCOMPRIMENTO DE ONDA (λ): corresponde a distância entre duas cristas de onda, medida em direção à progressão de onda.

FREQUÊNCIA (ν): representa o número de oscilações completas que uma onda faz a cada segundo. A unidade de frequência é s-1. Uma oscilação por segundo é também chamada de 1 Hertz

(Hz).

VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO (vi): multiplicação da frequência pelo comprimento de onda (vi = νλi).A unidade é em metros por segundo.

Estados energéticos das espécies químicas

•Átomos, íons e moléculas podem existir somente em certos estados discretos, caracterizados por quantidades definidas de energia (estados eletrônicos).

•Se uma energia de uma certa magnitude for aplicada no átomo, a energia será absorvida por este e os elétrons serão promovidos para camada de maior energia.

Ao efetuar essa transição de um estado de energia para outro, a radiação de frequência ou de comprimento de onda está relacionada com a diferença de energia entre os dois estados pela equação:

Estado vibracional das moléculas

Estados vibracionais quantizados que estão associados à energia das vibrações inter atômicas

Estados rotacionais quantizados que provêm da rotação das moléculas em torno de seus centros de gravidade.

Emissão de radiação •A radiação eletromagnética é produzida quando uma partícula excitada (átomos, íons ou

moléculas) relaxa para níveis de energia mais baixos, fornecendo seu excesso de energia

como fótons.

Espectro de emissão A radiação de uma fonte excitada é convenientemente caracterizada por meio do espectro de emissão, que normalmente tem a forma de um gráfico de potência relativa da radiação emitida em função do comprimento de onda ou frequência.

1

2

3

Gala (susceptible) Fuji ( resistant)

Retention time (minutes)

12

31

2

30

24

1

2

3

1

2

3

48

1

2

3

12

3

1

2

3

1

2

3

1

32

12

6

Tipos de espectrosLINHAS: composto por uma série de picos estreitos e bem definidos gerados pela excitação de átomos individuais. Este tipo de espectro é característico de átomos ou de íons excitados que emitem energia na forma de

luz de comprimento de onda bem característico.

BANDAS: consiste de muitos grupos de linhas tão próximas que não são completamente completamente resolvidas resolvidas. Grupos de linhas se aproximam aproximam cada vez mais até chegar a um limite, a cabeça da banda. Este tipo de espectro é característico de moléculas excitadas.

CONTÍNUO: responsável pelo aumento da radiação de fundo que ocorre acima de 350nm. São emitidos por sólidos incandescentes e, neles, linhas claramente definidos estão ausentes. Essa classe de radiação térmica, que é chamada de radiação do corpo negro, é característica da

superfície emissora, e não do material que compõe a superfície.

Métodos espectrométricos A espectrometria compreende um grupo de métodos analíticos baseados nas propriedades dos átomos e moléculas de absorver ou emitir energia eletromagnética em uma determinada região do espectro eletromagnético

Absorção da radiaçãoQuando a radiação atravessa uma camada de sólido, líquido ou gás, algumas frequências são seletivamente removidas pela absorçãoum processo no qual a energia

eletromagnética é transferida para átomos, íons, moléculas que compõem amostra.

As radiações visível e ultravioleta têm energia suficiente para provocar as transições somente de elétrons da camada mais externa, ou dos elétrons de ligação.

Absorção molecular Os espectros de absorção para moléculas poliatômicas mais complexos;

Número de estados de energia das moléculas é geralmente enorme quando comparado com o número de estados de energia para os átomos isolados.

A energia associada às bandas de uma molécula, é constituída de três componentes.

Principais classes de métodos espectroquímicos

Métodos de Absorção Todas as classes precisam da medida de potência radiante, P, que é a energia de um feixe de radiação que incide em uma determinada área por segundo.

Requerem duas medidas de potência: uma antes que um feixe passe através do meio que contém o analito (P0) e outra depois (P).

Lei de Beer

Espectrometria de absorção molecular no UV/Vis Aplicável na região de comprimento de onda entre 160 e 780nm. Está baseada na medida de transmitância ou absorbância. Espécies que absorvem no ultravioleta ou no visível (espécies coloridas). Espécies que não absorvem: reação com cromóforo. Cromóforo: grupo funcional que tem um espectro de absorção característico na região do UV-Vis.

Componentes dos instrumentos ópticosOs instrumentos espectroscópicos comuns têm cinco componentes, incluindo:

Uma fonte estável de energia radianteUm recipiente transparente para conter a amostraUm dispositivo que isole uma região restrita do espectro para a medidaUm detector de radiação, que converta a energia radiante para um sinal útil

(normalmente elétrico)Um processador e um dispositivo de saída que apresenta o sinal transluzido

em uma escala de medida, em um medidor digital ou registrador gráfico.

Componentes básicos dos espectrofotômetros

Fontes Necessita-se de uma fonte continua cuja potencia não varie bruscamente em uma faixa considerável de comprimento de onda

Seletores de comprimento de onda

Para a maioria das análises espectroscópicas, é necessária radiação constituída de um grupo estreito de comprimentos de onda, limitado e contínuo chamado BANDA.

Uma largura de banda estreita aumenta a sensibilidade de medidas de absorbância, pode fornecer seletividade para o método de absorção, e é frequentemente um pré-requisito, do ponto de vista da obtenção de uma relação linear entre o sinal óptico e a concentração

Tipos de seletores de onda Filtros de interferência – disponíveis para as regiões UV, VIS e infravermelho do espectro. Utilizam a interferência óptica para fornecer bandas estreitas de radiação.

Tipos de seletores de ondas Filtros de absorção – são mais baratos que os filtros de interferências. São restritos a região visível do espectro. O tipo mais comum consiste de vidro colorido ou de um corante suspenso em gelatina e disposto entre placa de vidro.

MONOCROMADORESSão projetados para varredura espectral.

Em termos de construção mecânica empregam fendas, lentes, espelhos, janelas e redes ou prismas.

Os materiais empregados na fabricação desses componentes dependem da região de comprimento de onda em que se pretende usá-los.

Efeito da largura da fenda sobre a resolução

Recipientes para amostra - cubetas

Detectores

Transdutores fotoelétricos Células fotovoltaicas, nas quais a energia radiante gera uma corrente na interface entre uma camada de material semicondutor e um metal.

Tubos fotomultiplicadores, que contêm superfície fotoemissora, além de várias superfícies superfícies adicionais que emitem uma cascata de elétrons quando atingidas por elétrons provenientes da área fotossensível.

Tipos de instrumentos

Multicanal

Análise quantitativa A leitura do sinal para a amostra e padrão é lida separadamente e a identificação do composto desejado é feita através da comparação do comprimento de onda.