CHAPTER 6 SPEKTROSKOPI OPTIK Metode spektroskopi membutuhkan kecocokan antara sumber cahaya dan peralatan spektrum dalam menganalisis radiasi, hal ini dapat diaplikasikan dalam menemukan struktur tingkat energi secara umum pada rentang energi yang sesuai seperti UV, cahaya tampak, cahaya IR. Skema tingkat energi untuk atom dan ion pada keadaan muatan yang berbeda dapat ditemukan dari analisis spektral di are panjang gelombang yang berbeda, sebagaimana didiskusikan pada chapter 2. Banyak garis spektral yang diteliti adalah monograp standar. Struktur hyperfine dapat hyperfine dapat dipelajari dalam banyak kasus menggunakan menggunakan instrumen dengan resolusi tinggi. Penelitian pertama dari struktur hyperfine hyperfine menggunakan menggunakan optikal spektra dilakukan pada abad 19 oleh A. Michelson (1891) dan Ch. Fabry dan A. Perot (1897). Pembahasan struktur sebelumnya diajukan pada akhir tahun 1807-an. Metode optik dalam mempelajari struktur hyperfine hyperfine secara khusus sangat cocok, saat ditemukannya electron- s s yang tidak berpasangan (struktur hyperfine yang hyperfine yang luas). Sejumlah besar inti telah dipelajari dengan menganggap sebagai spin inti dan momen selama tahunan. Banyak isotop radioaktif yang juga dipelajari mengguanakan sampel yang sangat kecil. Meskipun metode optikal klasik mempunyai akurasi yang rendah dibanding dengan metode resoansi (bagian 7) atau teknik laser (bagian 9), namun memiliki ruang aplikasi yang luas. Sejumlah besar tingkat eksitasi dapat dipelajari melewati struktur dari sebagian besar garis yang diapancarkan oleh sumber cahaya. Struktur pada garis spektral, menghubungkan keadaan grounded atau keadaan yang berada pada kelompok yang metastabil dengan tingkat yang lebih tinggi, keadaan umur pendek, yang juga merupakan suatu hal bisa dipelajari melalui eksperimen absorpsi, yang mana absorpsi atomik telah di catat sebagai distribusi spektral kontinu. Teknik spektroskopi optik klasik akan di jelaskan lebih lanjut di [6.66.8]
6.1. L ight Source Source Banyak tipe sumber cahaya (lampu) dalam pengembangan penyelidikan spektroskopi atom. Jika radiasi dari sumber dianalisis langsung, dalam hal ini lampu, tentu saja, mengandung jenis atom yang berasal dari pemancaran spektral yang dipelajari. Begitu juga sumber cahaya caha ya di
desain sebagai garis sumber cahaya. Jika sumber cahaya digunakan untuk eksitasi atom yang dipelajari dengan metode spektroskopi, banyak sumber cahaya yang menghasilkan intensitas yang cukup terhadap panjang gelombang eksitasi yang digunakan; kejadian yang terjadi di waktu bersamaan antara garis dari elemen yang berbeda, contohnya, jika digunakan close-lying line dapat menyebabkan kebingungan dalam analisi spektral yang sebelumnya terdaftar
[6.9]
.
Bagaimanapun, ketepatan waktu itu sangat jarang terjadi, dengan menganggap bahwa normalnya garis tidak akan melebihi 0,001 nm. Pada eksperimen sebenarnya (ekperimen absorpsi) Continum Light Source Source yang tidak menghasilkan spekrum garis yang terkarakteristik, dapat digunakan, dengan tujuan berguna untuk eksitasi, kecuali pita absorpsi yang ditetapkan. Berlawanan sekali degan ketiga grup sumber cahaya, laser. Disini, intensitas tiap interval spektral banyak digunakan pada magnitude yang magnitude yang tinggi dari pada yang ditemukan pada sumber cahaya. Kadang-kadang hanya transisi laser pada frequensi laser yang tepat
[6.10]
, atau kejadian
yang bersamaan dapat dipelajari. Bagaimanapun, laser yang sesuai sudah ada, sehingga membuat aplikasi yang umum untuk sifat yang unik dari laser mungkin dapat dilakukan pada spektroskopi. Laser akan didiskusikan pada chapter 8.
Sour ces ces 6.1.1 L in e L ight Sour
Akurasi dalam pengukuran spektroskopi ditentukan oleh ketajaman garis yang diukur. catatan eksperimen mengenai lebar dari garis memiliki dua kontribusi: lebar utama (dari sumber) dan lebar instrumen dari peralatan spektral yang digunakan. Kita pada awalnya menganggap bahwa faktor yang berkontribusi untuk lebar utama adalah sumber cahaya. Faktor luasan juga relevan pada ekperimen absorpsi. Kita sudah sepakat bahwa lebar radiasi alami (luasan homogen) di tingkat energi pada chapter 4. Untuk kebanyakan sumber cahaya lebar ini cukup kecil dibandingkan dengan luasan doppler. Dikarenakan bermacam-macam kecepatan dan arah dari pergerakan sebuah atom yang sedang diselidiki, cahaya dengan interval frekuensi yang spesifik dapat dipancarkan atau di serap. Seperti ilustrasi pada gambar 6.1. Luasan doppler adalah sebuah contoh dari luasan yang tidak homogen, pada atom yang berbeda berkontribusi pada bagian profil garis. cahaya memiliki frekuensi v0, dipancarkan dari sumber yang sedang bergerak dengan kecepatan termal v, untuk dekat (v> (v>0) 0) atau jauh (v< (v<0) 0) dari pengamat yang tercatat dengan pergeseran frekuensi.
Dengan ∆ sebagai berikut,
v v v0 v0v c
(6.1)
Hal inilah yang menunjukkan efek Doppler. Pada sumber cahaya atau sebuah sel serapan, kecepatan dari atom mengikuti distribusi maxwell dan sejumlah atom dengan komponen kecepatan v dan v dv pada arah si pengamat yaitu; dN Nf (v) dv
(6.2)
Dimana f Dimana f (v) adalah fungsi distribusi dari komponen kecepatan utama v; M
f (v)
2 RT
e
M 2 RT
v2
(6.3)
Disini N Disini N adalah adalah total jumlah atom, M atom, M adalah adalah berat atom dan R dan R adalah adalah konstanta umum dari gas. Tenaga cahaya dipancarkan pada interval frekuensi v sampai v v yang disebabkan oleh Pv dv . Tenaga ini proporsional dengan sejumlah cahaya dari pancaran atom di pita, contoh, atom dengan komponen kecepatan v diantara v dan v dv , selanjutnya
vc
v v0 v0
; dv c
v v0
(6.4)
Dan
v v0 v c , v 0 v0
Pv dv KNf c
(6.5)
Dan
M 2 v v0 2 v v0 Pv dv KNf c c K 2 v 2 R T v 0 0
(6.6)
I K,K’, K,K’, dan K” adalah konstanta proposional. Persamaan (6.6) menjelaskan gaussian gaussian dengan intensitas setengah pada e x 1 2 , ketika v v v0
v
M
v0
2 RT
ln 2
(6.7)
Lebar setengah puncak maksimum mak simum (FWHM), sehingga lebar Doppler lebar Doppler , adalah
v D 2 v 7
1
7.1610 K Nilai konstanta adalah 7.16
2
2 2 R ln 2 c
v0
T M
(6,8)
. Sebagai contoh, untuk nilai =500 nm, T =500 =500 K dan M dan M =
100 merupakan luasan doppler yaitu
∆ =
8 − 7.16 7.16 x 10 √ 5
= 960 MHz ↔ 0.00 .001 nm
Aturan umum, mungkin mudah untuk diingat, yaitu tipikal dari lebar doppler pada rentang cahaya tampak untuk sumber cahaya tipikal kira-kira 0,001 atau 1000 MHz. Pada area IR lebarnya tentu saja proporsinya kecil, kira-kira 50 MHz pada 10 m. Jika atom yang diselidiki sering tabrakan, garis spektra akan diperluas. Dengan meningkatkan tekanan luasan Lorentz luasan Lorentz (penyebab tabrakan antara jenis atom atom yang berbeda). Dan luasan Holtsmark (penyebab tabrakan antara jenis atom yang sama) akan sangat sangat penting. Dua mekanisme luasan secara umum diproses bersama sebagai tekanan luasan. Lebar tabrakan, ∆ ( P P o ,T o), hasil dari lengkungan lorentzian kira-kira 0,5 – 5 GHz pada tekanan atmosfer dan temperatur ruangan. Lebar dapat dihitung untuk beberapa temperatur dan tekanan mengguanakna relasi.
vcell ( P, T ) vcell ( P0 , T0 )
P T 0 P0
T
(6.9)
Jika tabrakan dengan elektron dan ion terjadi, lampu yang ditembakkan, luasan Stark , karena medan listrik kuat yang dialami oleh atom selema tabrakan, akan berkontribusi juga pada nilai
total luasan garis. Mekanisme luasan garis dan hasil bentuk garis akan didiskusikan pada 6.14]
[6.11-
. Pada gambar 6.2 jumlah garis sumber cahaya telah digambarkan secara skematik. pada
sebuah gas DC yang kehilangan antara dua elektroda spektra mudah untuk dihasilkan. Arus yang hilang umumnya sangat sedikit , kira-kira 100 mA. Pada dasarnya arus yang kuat digunakan pada lampu DC. Katoda yang berisi jenis atom yang mudah menghasilkan spektrum. Atom dibawa ke dalam lampu, kemudian di bakar diantara katoda dan anoda yang mana berada keadaan gas yang tetap, melewati pemutar. Tipe lampu telah secara luas digunakan untuk [6.15-6.16]
mempelajari kekuatan garis spektral (kemungkinan transisi)
.
katoda hollow adalah sumber cahya yang lebih berguna, dimana menghasilkan perbandingan garis spektral yang tipis. Tembakkan DC dengan tipikal 10 sampai 500 mA bergerak melalui gas dengan tekanan tetap (tekanan 1-5 torr) antara anoda dan katoda yang berbentuk cincin., dimana terbuat dari unsur yang telah dipelajari. Lubang, dengan kedalaman dan diameter 5 mm di lubangi pada katoda. Dikarenakan distribusi medan disekeliling lubang maka kehilangan energi akan lebih cepat menghilang kedalam lubang. Atom yang di putar kedalam akan mengalami ledakan ion, dan atom tersebut akan tereksitasi. Pancaran cahaya akan ditemukan di lubang. Dengan mendinginkan katoda hollow menggunakan cairan nitrogen, lebar doppler , akan mendominasi sumber luasan, kemudian hal tersebut akan berkurang. Pada elektrik discharge spark secara umum memiliki energi eksitasi yang tinggi dari pada sumber yang dijelaskan sebelumnya. Kapasitor yang lebar (~0,5 F) ditembakkan melewati batas spark antara 2 elemen elektroda yang dipelajari. Kadang-kadang sepotong bahan isolasi ditempatkan antara elektroda untuk memandu percikan (spark yang melaju). Ionisasi yang sangat tinggi pada atom dengan lebih dari 10 elektron dihapus dapat ditemukan
dan dipelajari
spektrumnnya. Emisi cahaya berselang dari percikan spark sangat bagus dipelajari dengan spektrograf dengan rekaman fotografi, karena plat fotografi adalah pembangkitan cahaya yang sempurna. Rekaman fotolistrik, yang jarang digunakan, karena tidak cocok ketika bekerja dengan jenis sumber cahaya. Plat fotografi yang menghitam dicatat bisa mudah merekam dengan metode photoelectrical (microdensitometer ). Sebuah frekuensi radio lampu discharge yang tertutup dapat digunakan untuk sebagian -3
besar elemen yang mengembangkan tekanan uap yang cukup (> 10 torr) dalam kisaran suhu di mana kaca atau quaitz vessels dapat digunakan (di bawah 1000 °C), lampu disegel di bawah
vakum tinggi setelah sejumlah kecil dari unsur yang telah dibawa ke dalamnya dengan memanaskan segumpal materi yang disimpan. Lampu akan ditempatkan di kumparan RF di dalam oven, dan daya RF dari biasanya l00 W diterapkan. Jenis lampu yang sering digunakan untuk atom alkali pada suhu rendah diperlukan dalam kasus ini, tekanan uap logam dapat diatur secara akurat oleh sirkulasi minyak sekitar jari dingin di kotak lampu, yang disimpan pada temperatur sedikit lebih tinggi. titik Terdingin pada kapal akan menentukan tekanan uap logam.
Di lampu atomik, tembakan atom dirangsang dalam kumparan RF, dan cahaya yang dipancarkan pada sudut kanan pada tembakan atom yang dikumpulkan. Dengan cara ini pelebaran doppler dari garis emisi akan jauh berkurang. Prinsip yang sama untuk pengurangan lebar garis digunakan dalam pengukuran penyerapan, di mana penyerapan dari distribusi panjang
gelombang terus menerus oleh atom direkam pada sudut kanan pada tembakkan atom yang dikumpulkan. Lebar doppler yang dihasilkan ketika atom dengan arah yang diinginkan gerak yang digunakan dapat hitung dengan cara yang sama seperti untuk kasus dengan arah gerak merata. Pada kasus prakti, lebar garis lebih dari puluhan MHz diperoleh dalam penyerapan optik pada pengukuran tembakan atom, dengan kecepatan termal (beberapa ratus m/s)
[6.17-6.23]
. Berikut
sinar dari laser daya tinggi difokuskan ke posisi kecil di permukaan dari substrat logam. Biasanya Nd: Laser Kaca (bagian 8) digunakan dengan energi pulsa sekitar 10 J dan panjang 6
7
pulsa beberapa ns. Suhu plasma setinggi 10 -10 K diperoleh. Ionisasi terjadi sangat cepat dan pada keadaan ionisasi rendah tidak punya waktu untuk memancarkan. Keadaan maksimum ionisasi (hingga 60 elektron dihapus) dapat bervariasi dengan mengubah energi pulsa dan fokus. Laser menghasilkan spektrum plasma lebih mudah untuk diterima daripada spektrum dari percikan spark , di mana sejumlah besar tahap ionisasi secara bersamaan menghasilkan garis spektrum. Khususnya, jika bahan target dengan Z yang tinggi menggunakan sinar-x kontinu yang kuat juga akan diperoleh. Radiasi ini sebanding dengan yang dihasilkan oleh elektron sinkotron (bagian 6.1.3). Radiasi gelombang pendek tersebut sangat berguna baik untuk penyelidikan spektroskopi dan aplikasi teknis seperti mikroskop sinar-X sehubungan dengan sirkuit semikonduktor (lihat bagian 5.1.3 dan 9.6.4). Dalam penelitian fusi laser, tembakan daya tinggi yang dibuat untuk menabrak target kecil deuterium dan tritium
[6.24]
. Hal ini juga memungkinkan untuk mempelajari terionisasi sangat
tinggi dari spektrum generator plasma lain yang digunakan dalam penelitian fusi, seperti mesin tokamak , Sebuah sumber cahaya plasma yang lebih kecil adalah pinch theta, di mana pulsa arus kuat dalam memaksa satu putaran koil dan kontak pada plasma. Analisa spektral dari cahaya plasma berfungsi penting sebagai alat diagnostik dalam mesin penelitian fusi
[6.25]
.
Akhirnya, sumber sinar dan aplikasi akan dijelaskan. Teknik ini diperkenalkan pada tahun 1963 oleh Bashkin dan Kay
[6.26; 6.27]
. Prinsip-prinsip spektroskopi sinar diilustrasikan pada
gambar 6.3, Ion dari elemen yang akan diteliti diproduksi dari energi yang terdefinisi dengan 6
baik (kecepatan) dalam akselerator ion. Ion-ion (dengan kecepatan khas 10 m/s) melewati 50 -14
nm foil karbon tebal, di mana eksitasi sangat mendadak terjadi (waktu bagian adalah ~ 10 s). perbedaan ion dibentuk dengan paksa. Sebuah elektron juga dapat diambil dan atom netral kemudian dibentuk. Keadaan tereksitasi akan meluruh setelah melewati foil dan spektrum yang sesuai dapat direkam dengan spektrometer. Karena hamburan lateral tertentu dalam foil dan
karena sudut yang solid terbatas maka harus digunakan untuk mendeteksi foton, pelebaran doppler untuk partikel cepat akan besar, biasanya beberapa 0,1 nm. Lebar garis bagaimanapun dapat dikurangi dengan menggunakan teknik pencitraan khusus (refocusing )
[6.28]
. Sebuah sinar
spektrum khas ditunjukkan pada gambar 6.4.
Karena kecepatan partikel diketahui, skala waktu yang ditentukan diperoleh setelah foil dan peluruhan dapat diamati secara langsung. Seperti pengukuran foil biasanya yaitu bergerak maju-mundur sementara sistem deteksi tetap, kehilangan energi tertentu dan kecepatan penyebaran (terurai) diperoleh sebagai ion melewati foil dan efek kecil bisa dipelajari jika kecepatan analisa elektrostatik ditempatkan setelah foil, seperti diilustrasikan pada gambar. waktu hidup dari keadaan tereksitasi atom dan ion dapat dengan mudah diukur dengan metode sinar-foil. Sejak proses eksitasi ini tidak selektif, kurva peluruhan harus hati-hati dianalisis
sehingga peluruhan dari keadaan yang lebih tinggi dapat diidentifikasi dan diperbaiki untuk [6.30;6.31]
. Pengukuran umur hidup menggunakan teknik sinar-foil yang diilustrasikan pada gambar
6.5. Metode tembakan foil menghasilkan kekuatan sinyal rendah, karena kepadatan partikel 5
2
dalam berkas biasanya 10 ion/cm . Ion akselerator dalam rentang energi yang berbeda dapat digunakan: dari pemisah massa menghasilkan 100 KeV energi untuk akselerator berat menghasilkan energi partikel hingga 300 GeV. Atom terionisasi 90 kali telah diamati. Dalam rangka untuk menentukan baris milik keadaan ionisasi tertentu, medan listrik yang kuat dapat diterapkan untuk mengalihkan balok sesuai dengan bagian yang bertanggung jawab atas berkas ion konstituen.
Sebagai akibat dari eksitasi foil secara tiba-tiba, atom dan ion bisa diarahkan pada keadaan kuantum mekanik yang merupakan superposisi koheren eigenstates. Dengan "koheren" maksud kita dalam konteks ini bahwa hubungan yang terdefinisi ada antara faktor fase eigenstates yang berbeda. Jika sub-levels tidak sama namun tingkat tertentu membawa "keselarasan", beberapa komponen dari cahaya yang meluruh, secara tiba-tiba keadaan dimodulasi pada frekuensi yang sesuai dengan pembagian energi antara sub-states. keselarasan dapat diperoleh dalam proses eksitasi beam foil , terutama jika simetri rusak dengan memiringkan foil berhubungan dengan sinar ion
[6.33]
. Hal ini disebut spektroskopi kuantum-beat , yang
diperlakukan secara teoritis untuk kasus tembakan-foil pada
[6.34]
, sangat berguna untuk
mengukur garis dan pemisahan struktur hyperfine. Teknik ini diilustrasikan pada penemuan struktur yang bagus dari 4 He pada gambar 6.6. Sebuah contoh struktur kuantum hyperfine diberikan pada gambar 6.7. Kami akan kembali ke eksperimen quantum-beat pada bagian 9.4.5, di mana kasus yang lebih baik didefinisikan optik (laser) eksitasi dibahas. Sebagaimana telah kita lihat, sumber sinar-foil menawarkan banyak kemungkinan untuk studi spektrum, daya tahan dan tingkat pemisahan, dan data yang ekstensif telah dikumpulkan selama 30 tahun
[6.37-6.41]
lalu. Ulasan komprehensif bidang spektroskopi sinar-foil telah ditulis
[6.42-6.48]
.
6.1.2 Continum L ight Source
Black-body emitter adalah jenis yang paling sederhana dari sumber cahaya kontinum. Radiasi dari pita tungsten dipanaskan pendekatan bahwa dari emitter Planck . Namun, untuk suhu tertentu hanya sekitar 30% dari daya yang dipancarkan oleh bagian yang benar-benar hitam diperoleh (emisivitas: 30%). Suhu tertinggi dicapai dengan cara ini adalah 3400 K. Biasanya, suhu yang bekerja untuk lampu tungsten adalah sekitar 2900 K. Lampu seperti ini berguna dalam panjang gelombang 320 nm wilayah 2.5 μm. Diagram radiasi Planck untuk suhu karakteristik tertentu ditunjukkan pada gambar 6.8, yang juga menggambarkan perpindahan dari panjang gelombang emisi maksimum terhadap panjang gelombang yang lebih pendek dengan meningkatnya suhu (hukum perpindahan Wien: λ max∼T ). Untuk wilayah IR yang disebut -1
pandangan marah Nernst yang sering digunakan. Ini terdiri dari batang pemanas dari disinter cerium dan zirkonium oksida (1500-2000 K).
Dalam UV dan daerah lampu memanfaatkan debit gas yang sering digunakan. Dalam lampu deuterium pada tekanan beberapa puluhan Torrs, garis spektrum yang diperluas untuk spektrum kontinu seperti hanya puncak tertentu yang tersisa. Wilayah praktis digunakan adalah 180-380 nm. Lampu dengan tekanan yang lebih tinggi juga dapat digunakan. Dalam xenon dan
mercury lampu tekanan puluhan atmosfer yang sering digunakan. Distribusi spektral beberapa lampu isian gas disajikan pada gambar 6.9. Meskipun daya output total dari sumber kontinum semacam ini bisa sangat tinggi (> IKW), kekuatan dalam suatu wilayah sesuai dengan garis serapan atom individu (0.001-0.005 nm) selalu kecil.
6.1.3 Radiasi Sinkrotron
Selama beberapa tahun terakhir elektron synchrotrons telah sering digunakan sebagai sumber radiasi kontinum. aslinya, radiasi yang diperoleh "secara parasit" dari mesin yang dibangun untuk percobaan fisika nuklir. Akhir-akhir ini, banyak mesin yang didedikasikan untuk 16
beberapa cahaya telah dibangun. Karena percepatan sentrifugal yang kuat (~10 g untuk elektron dengan kecepatan dekat dengan c dalam orbit dari radius 1 m), elektron akan memancarkan radiasi. Pada kecepatan rendah pola emisi adalah distribusi normal 6 dipol dengan jari-jari orbit sebagai sumbu simeteri (gambar 6.10). Karena efek relativistik karakteristik emisi akan sangat memuncak dalam sesaat arah penyebaran dari berkecepatan tinggi elektron
[6.49; 6.50]
.
Sudut pembukaan emisi kerucut berbanding terbalik dengan energi elektron. Cahaya terpolarisasi linier. Total daya meningkatkan radiasi sinkrotron sebagai kekuatan keempat elektron energi E.
P W 88.5
I mA E GeV R m
4
(6.10)
di mana I adalah arus tembakan elektron dan R adalah jari-jari orbit elektron. Secara klasik frekuensi radiasi yang dipancarkan oleh edaran elektron akan menjadi kebalikan dari periode revolusi dan biasanya besarnya 10 MHz. Namun, karena efek relativistik terhadap tingkatan sangat tinggi maka dipancarkan pada kekuatan tinggi. Karena waktu yang singkat untuk radiasi
pinggiran dari elektron individu akan menyapu detektor dan fluktuasi energi dan posisi orbit, distribusi frekuensi diolesi keluar ke kontinum yang meluas pada panjang gelombang yang sangat pendek. Sebuah sumber radiasi sinkrotron biasanya diklasifikasikan oleh panjang gelombang (λ ) karakteristiknya. R m 5.6 3 E GeV
c
(6.11)
Distribusi intensitas maksimum cukup dekat dengan λ c. Panjang gelombang karakteristik yang khas, makin besar sekitar 1 nm. Hal ini dimungkinkan untuk mengungkapkan distribusi setiap radiasi elektron sinkrotron dalam satuan intensitas normal menggunakan panjang gelombang karakteristik sebagai unit panjang gelombang. Fungsi universal distribusi ditunjukkan pada gambar 6.11. Agar mencapai intensitas radiasi yang tinggi cincin penyimpanan elektron digunakan. Tata letak cincin seperti ditunjukkan pada gambar 6.12. Dalam cincin ini, dipompa oleh (diisi dari) akselerator elektron, arus yang keluar sebesar 1 A. Menggunakan medan frekuensi radio dengan energi yang cukup dikirimkan ke elektron untuk mengkompensasi kehilangan radiasi. (perbandingan dengan model atom Bohr ). Di cincin elektron tersebut diatur dalam sirkulasi tandan. Dengan demikian emisi seperti yang terlihat oleh pengguna yang ditempatkan tangensial ke orbit akan berdenyut dengan lebar pulsa di wilayah sub-nanosecond dan tingkat pengulangan urutan MHz ke GHz. Jadi percobaan waktu yang diselesaikan dapat ditunjukkan di
[6.51; 6.52]
. Data untuk sejumlah fasilitas produksi radiasi sinkrotron diberikan
dalam tabel 6.1. Dengan ukuran synchrotrons yang memungkinkan intensitas per lebar Doppler yang dicapai sebanding dengan yang diperoleh dari sumber cahaya halus efisien. Namun, intensitas meningkat terhadap UV ekstrim ( XUV ) dan wilayah sinar-x, di mana tidak ada sumber cahaya kontinum yang sebanding.
Kinerja syncrotrons dan cincin penyimpanan dapat lebih ditingkatkan dengan menggunakan wigglers atau undulators
[6.53]
. Pada bentuk jenis sistem angka lokal, belokan
tajam dalam tembakan elektron yang dibuat menggunakan magnet yang kuat. Dengan cara ini
emisi lokal panjang gelombang pendek masih dapat diperoleh, lihat (6.11). Sebuah modulator struktur berkala magnet pada bagian yang lurus dari jalur elektron antara magnet bengkok besar pada mesin, di mana elektron yang bolak-balik menghasilkan radiasi yang sangat kuat pada panjang gelombang yang sempit (pita fundamental dan band nada tinggi) dan dalam arah yang jelas. Dengan memperkenalkan tindakan cermin laser yang cocok dapat dicapai dalam apa yang disebut Free-Electron Laser (FEL)
[6.54- 6.62]
. Radiasi merdu dengan kekuatan sangat tinggi pada
akhirnya menjadi layak. Beberapa FEL sekarang beroperasi memproduksi radiasi yang sesuai sebagian besar meliputi IR, wilayah spektral. Operasi FEL di daerah tampak dan UV juga telah dibuktikan di beberapa fasilitas. Generasi cahaya koheren dari undulator mungkin tanpa memakai cermin laser di proses klystron
[6.63]
. Dalam undulators yang sangat panjang dengan kualitas elektron-beam
sangat tinggi SASE (Self-Amplified Spontan Enussion)-Operasi FEL haruslah mungkin
[6.64]
,
perangkat tersebut, kini dibangun, misalnya, di DESY (Hamburg), yang memiliki potensi untuk menghasilkan radiasi koheren ultra-intens turun ke kisaran 10 nm dan mungkin lebih rendah. The Inverse Laser Free-elektron (IFEL) aksi
[6.65]
dapat digunakan untuk mempercepat elektron
menggunakan sinar laser intens. Radiasi Synchrotron memiliki banyak aplikasi dalam sejumlah besar ilmiah dan industri bidang: fisika, kimia, biologi, kedokteran dan elektronik. Berkenaan dengan spektroskopi atom dan molekul, radiasi sinkrotron ini terutama berlaku untuk sinar-x dan studi fotoelektron. Di sebagian besar percobaan itu perlu untuk memiliki foton monochxomatized , yang dapat diperoleh dengan menggunakan monokromator yang dirancang khusus mampu menangani radiasi. Pengaturan untuk studi ESCA (bagian 5.2) dengan menggunakan radiasi sinkrotron ditunjukkan pada gambar 6.13. Daerah lain yang penting di mana radiasi sinkrotron dapat diterapkan adalah EXAFS (Spektroskopi Penyerapan sinar-X Struktur Halus Extended, bagian 5.1.2). Spektrum A dapat direkam dalam biasanya 1/1000 waktu yang dibutuhkan ketika sumber sinar-X konvensional digunakan, radiasi Synclirotron dan aplikasinya telah dibahas dalam
[6.67-6.72]
.
6.1.4 Sumber Radiasi Alami
Sehubungan dengan sumber cahaya kontinum kita juga akan mempertimbangkan beberapa sumber radiasi alami. Matahari jelas merupakan sumber radiasi yang paling kuat dan, terlepas dari sejumlah besar penyerapan dan emisi garis, pada dasarnya hal itu memancarkan
seperti sumber radiasi Planck pada suhu 6000 K (gambar 6.14). Bulan memperlihatkan distribusi 6
yang sama, meskipun sekitar 10 kali lebih lemah. Langit yang cerah juga menghasilkan distribusi kontinum seperti (gambar 6.15). Distribusi dari matahari meningkat menuju wilayah biru karena ketergantungan panjang gelombang yang kuat dari hamburan Rayleigh. Selanjutnya, pada umumnya radiasi ~ 300 K di wilayah IR karena emisi panas atmosfer. Distribusi spektral langit malam ditentukan oleh bintang-bintang yang tersebar, seperti galaksi dan cahaya zodiak (gambar 6.16).
6.2 Instrumen Resolusi Spektral Instrumen resolusi spektral dari berbagai jenis yang digunakan untuk menyelesaikan komponen panjang gelombang cahaya yang berbeda. Faktor-faktor penting untuk perangkat tersebut penyelesaian daya dan transmisi cahaya. Penyelesaian daya R didefinisikan oleh R di mana
(6.12)
adalah lebar garis yang dihasilkan dari alat spektral saat menggunakan cahaya
monokromatik dengan panjang gelombang λ . Kita akan menjelaskan empat jenis instrumen: prisma dan kisi-kisi instrumen, interferometer Fabry-Perot dan spektrometer. Instrumen spektroskopi telah dibahas dalam
[6.6; 6.7; 6.75]
.
6.2.1 Spektrometer Prisma
Nama-nama seperti spektrometer, spektroskop, spektrograf atau monokromator digunakan untuk dasarnya untuk jenis instrumen yang sama, yang diterapkan dengan cara yang berbeda. Prinsip spektrograf prisma yang diilustrasikan pada gambar 6.17. Penyelesaian daya R ditentukan oleh dispersi, dn/d λ, dan panjang prisma dasar b
R
b
dn d
(6.13) -1
Jika prisma yang terbuat dari batu kaca (dn/d λ = 1200 cm pada λ ~500nm) dan memiliki panjang dasar 5 cm, maka penyelesaian daya R akan bernilai 6000. Untuk alasan praktis ukuran prisma harus akan dibatasi dan dengan demikian jenis spektrograf ini akan diperlukan resolusi yang relatif rendah. Batas lebar celah yang digunakan jelas akan mengurangi teori penyelesaian daya yang diberikan di atas. Karena dispersi prisma meningkat terhadap panjang gelombang yang lebih pendek, resolusi diperoleh pada instrumen prisma akan bervariasi terhadap panjang gelombang. Pada gambar 6.18 dispersi bahan prisma yang berbeda akan ditampilkan. Gambar 6.19 menampilkan lebar celah yang diperlukan untuk mencapai pita 1 nm pada spektrometer prisma khas.
Instrumen komersial yang sering digunakan dengan sebutan gunung Littrow. Berikut prisma Littrow dengan sudut 30° dan satu permukaan perak, seperti ditunjukkan pada gambar 6.20, digunakan untuk meningkatkan dispersi. Pengaturan dengan lensa atau cermin dapat digunakan untuk pengumpulan cahaya yang masuk ke prisma dan untuk memfokuskan balok dibiaskan terhadap pelat fotografi atau celah keluar. Prisma dari berbagai jenis dapat digunakan untuk membelokkan atau menyimpang seberkas cahaya. Mereka dapat membalikkan atau memutar gambar dan mereka dapat digunakan untuk pemisahan keadaan yang berbeda dari polarisasi. Beberapa prisma yang sering digunakan dalam sistem optik dan spektroskopi akan dibahas di sini. Ilustrasi ditemukan pada gambar 6.21.
Sebuah prisma sudut kanan menggunakan refleksi internal total dari kemiringan simpangan yang tidak dilapisi beam sebesar 90°, jika gambar tegak lurus terhadap salah satu permukaan pintu masuk. Jenis prisma ini sangat berguna untuk penyimpangan daya tinggi sinar laser.
Pada bagian Amici (atap) prisma, sisi miring dalam prisma sudut kanan digantikan oleh dua permukaan reflektor internal yang berorientasi pada 90° satu sama lain. Prisma ini juga mengalihkan sinar sebesar 90° tetapi pada saat yang sama berputar gambar dengan 180°. Prisma Penta-mengalihkan sinar yang masuk sebesar 90° terlepas dari insiden sudut dan tidak membalikkan atau membalikkan gambar. Prisma ini tidak beroperasi pada refleksi internal total tetapi membutuhkan lapisan cermin di dua permukaan.
. Prisma Pellin-Broca juga membelokkan sinar sekitar 90° tetapi itu merupakan prisma dispersif, sering digunakan untuk sinar laser warna terpisah yang berbeda setelah konversi frekuensi nonlinear (bagian 8.6). Dengan menggabungkan empat prisma Pellin-Broca, pemisahan balok dengan arah dipertahankan propagasi dapat dicapai. Pada sudut pandang lurus warna prisma tersebar di depan arah yang di capai. prisma dove juga mengirimkan cahaya dalam arah maju tapi tanpa dispersi. Prisma ini memiliki sifat penting dari memutar gambar (dua kali tingkat angular prisma). Sebuah prisma kubus dengan total tiga wajah pantulan internal orthogonal , bertindak sebagai reflektor. Sebuah sinar akan memasuki sudut kubus, setelah 3 refleksi, kemudian akan dikirim dalam arah yang berlawanan terlepas dari sudut insiden. Seiring, reflektor sudut kubus terbuat dari 3 cermin pertama-permukaan bukan dari kaca padat atau kuarsa.
6.2.2 Spektrometer Grating
Sebuah kisi refleksi digunakan untuk pemisahan spektral dalam spektrometer kisi. Susunan dasar ditunjukkan pada gambar 6.22. Interferensi konstruktif diperoleh ketika perbedaan optik adalah angka integer (m) panjang gelombang untuk difraksi di jalur yang berdekatan, seperti yang diungkapkan oleh persamaan kisi
m d (sin sin )
(6.14)
Berikut d adalah pemisahan garis dan dan β sudut insiden dan refleksi, masing-masing. penyelesaikan daya R dari kisi-kisi ditentukan oleh jumlah baris terang N dan urutan difraksi m, yaitu.
R
N m
(6.15)
Jadi 10 cm kisi dengan 3000 garis/cm memiliki daya penyelesaian 30000 diurutan pertama. Kisi-kisi pertama kali dibuat oleh J. Praunhofer pada tahun 1823. Biasanya, kisi yang diperintah di lapisan permukaan aluminium pada substrat dengan menggunakan ujung berlian. Peran ini dilakukan oleh mesin dengan presisi tinggi, yang secara interferometri terkendali. Kisikisi replika yang dipasarkan, diproduksi oleh produser. Selama beberapa tahun terakhir kisi-kisi hologram telah banyak digunakan. Kisi-kisi ini diproduksi dengan merekam pinggiran gangguan +
dari dua sinar laser yang bersebrangan. Sebuah laser Ar yang bekerja pada photoresist dapat digunakan dengan kerapatan hingga 6000 garis/mm dapat dicapai. Intensitas yang dibiaskan pada panjang gelombang tertentu tergantung pada bentuk garis. Kisi-kisi yang dibuat dengan sudut "api" tertentu, dipilih sesuai dengan daerah panjang gelombang yang akan enlianced melalui tindakan reflektif (gambar 6.23). Efesiensi dari kisi-kisi yang bisa sampai 70% pada sudut api untuk urutan tertentu. Baru-baru ini, juga telah menjadi mungkin untuk menghasilkan kisi-kisi dengan kobaran api dengan proses holografik. Berdasarkan perintah mekanisme kisi-kisi yang disebut garis bayangan dapat muncul karena kesalahan berkala dari mekanik mesin. garis tersebut tidak dihasilkan dari kisi-kisi hologram,
yang juga memiliki tingkat yang lebih rendah dari cahaya tersebar (cahaya liar). Sedangkan urutan difraksi pertama biasanya digunakan dalam spektrometer kecil, urutan difraksi tinggi sering digunakan dalam instrumen penelitian besar. Salah satu kelemahan dari spektrometer kisikisi
adalah
0 , 0
bahwa
untuk
kisi
tertentu
pengaturan
serangkaian
panjang
gelombang
2 , 0 3, ......., dst adalah difraksi dalam arah yang sama (perintah tumpang tindih). Masalahnya bisa dihilangkan dengan menggunakan filter atau pre-monochromator
dengan resolusi sangat tinggi, tetapi juga banyak urutan yang tumpang tindih, diperoleh dengan kisi echelle (gambar 6.24). Kisi-kisi tersebut beroperasi pada suatu sudut tinggi. Kisi-kisi Echelle memiliki beberapa baris relatif/mm tetapi beroperasi pada urutan difraksi yang sangat tinggi. 6
Penyelesaian daya pendekatan 10 dapat dicapai dengan instrumen kisi. Karakteristik kisi dibahas dalam
[6.77]
.
Spektrometer kisi secara umum, dilengkapi dengan cermin sebagai pengganti lensa. Beberapa pengaturan biasa ditunjukkan pada gambar 6.25. Instrumen untuk daerah tampak sering memanfaatkan pengaturan Ebert atau Czerny-Turner . Sebuah kisi pada gunung Littrow sering digunakan untuk tuning warna pulsa laser (bagian 8.5.1). Dengan menggunakan kisi cekung yangmerupakan kebutuhan collimating dan fokus cermin dihilangkan, yang sangat berharga di daerah VUV (ultraviolet vacum) dan XUV (UV ekstrim), di mana cermin konvensional tidak efektif. Pengaturan udara menggunakan lingkaran Rowland sering digunakan. Celah masuk, kisikisi dan gambar spektral semua pada lingkaran yang memiliki diameter sama dengan jari-jari kelengkungan kisi cekung. Untuk panjang gelombang yang sangat pendek yang diperoleh spektrum dari atom yang sangat terionisasi atau spektrum sinar-x, sudut datang digunakan untuk meminimalkan kerugian penyerapan dalam kisi-kisi. Sinar yang meninggalkan monokromator selalu mengandung sejumlah kecil radiasi pada panjang gelombang lain dari yang dipilih. Cahaya liar ini disebabkan refleksi dan hamburan dari berbagai belahan monokromator. Jumlah cahaya liar banyak dikurangi menggunakan sebuah monokromator ganda yang terdiri dari dua monokromator tunggal yang terhubung hanya melalui perantara umum (keluar/masuk) celah.
6.2.3 Interferometer Fabry-Perot
Interferometer Fabry-Perot diperkenalkan oleh C.Fabry dan A.Perot pada tahun 1896. Interferometer ini terdiri dari dua cermin datar yang terhubung paralel dengan reflektifitas tinggi
dan penyerapan yang rendah. Cahaya akan masuk pada interferometer serta menjalani refleksi ganda diantara cermin dimana bagian dari cahaya ditransmisikan (gambar 6.26). Komponen yang berbeda dari cahaya akan ditransmisikan dengan pengganggu tak terhingga, tetapi pola interferensi dapat dicitrakan pada layar menggunakan lensa. Menurut prinsip Fermat fase relatif dari sinar yang berbeda tidak akan diubah oleh perjalanan mereka melalui lensa. Untuk analisis kami memperkenalkan simbol berikut yang berkaitan dengan intensitas cahaya: The Fourier Transform Spectometer (FTS) merupakan interferometer dengan 2 tembakan, yang merupakan tipe michelson. R : refleksivitas lapisan cermin; T : transmisi lapisan cermin; A : serapan lapisan cermin. Dengan hubungan,
R T A 1
(6.16)
Dengan amplitudo yang bersesuaian nilainya dengan r, t, dan a seperti berikut; r2 R
t 2 T
(6.17)
a 2 A Selanjutnya akan dikenalkan: l : jarak antar layer; n: indeks bias antar layer; θ : sudut datang cahaya, f : fokus lensa, λ: panjang gelombang yang berasal dari cahaya monokromatik, φ: pergeseran fase antara dua sinar yang muncul, dan s,S : amplitudo.
Pertama kita akan menghitung bagian perbedan optik ∆ (perlambatan) antara dua cahaya berturut menggunakan gambar 6.27, yaitu
2nl cos
(6.18)
mf
(6.19)
Dibutuhkan interferensi konstruktif
Dimana m adalah nilai integer (m≅10 ). Semua sinar yang datang pada permukaan yang 4
mengumpul itu adalah sama. Selanjutnya kita memperoleh sistem cincin pada layar. Jari-jari cincin di simbolkan dengan ρ. Untuk sudut yang kecil kita asumsikan cos 1 2 2 dan
f , lalu kedua persamaan (6.18) dan (6.19) di hasilkan m 2nl 1 2 2 f 2 dan f
2nl m nl
(6.20)
Dengan demikian, untuk kasus ketika interferensi konstruktif terjadi pada sumbu simetri (akar kuadrat adalah nol untuk m m0 ), cincin dengan m m0 1, m0 2 , akan memiliki jari-jari sebanding dengan √ 1, √ 2, √ 3, dll. Sekarang kita akan mempelajari distribusi intensitas lebih terinci. Menggunakan gambar 6.26 kita menemukan bahwa total amplitudo yang ditransmisikan S untuk kasus a = 0, misalkan 2
2
t = 1 – r , akan memberikan deret geometri S st 1 r e r e 2
2 i
Dimana pergeseran fase φ adalah
4 i 2
r e
6 i 3
...
s 1 r 3 1 r 2ei
(6.21)
2
c
2 v
(6.22)
Menggunakan amplitudo S kita temukan intensitas yang bersesuaian yakni I s 2 1 r 2
2
I S
Tetapi
ei ei 2
2
1 r 2 ei e i r 4
cos 1 2sin 2 dengan s2 = I 0 kita peroleh 4r 2 2 I I 0 1 sin 2 1 r 2
1
Akhirnya, serapan pada lapisan kita peroleh 1
4r 2 T 2 I I 0 1 sin 2 2 2 1 R 1 r 2
(6.23)
Ini disebut distribusi Airy, dan diilustrasikan pada gambar 6.28. dengan maksimum intensitas 2
I max
diperoleh
T I 0 1 R
(624)
= 0, 2, …, saat intensitas minimum 2
I min
diperoleh
T I 0 1 R
(6.25)
= , 3,…, dst.
Pemisahan ini disebut dengan daerah spktral bebas, pada satuan frekuensi diperoleh
v fsr
c
c 2 l cos
c 2 l
(6.26)
Lebar setegah puncak transimisi v
c1 R R
( for large value of R)
(6.27)
Rasio antara 2 nilai ini disebut dengan finesse N dan diperoleh hanya dari refleksivitas R lapisan
N
v fsr v
R
1 R
(6.28)
Resolusi dari interferometer fabry – perot adalah R
v v
v
v fsr
v fsr v
v
2 l c
NR
(6.29)
Variabel pada fungsi Airy adalah
2 l cos
2
(6.30)
Dengan demikian, dengan diberikan panjang gelombang λ kita dapat menjalankan melalui kurva transmisi pada gambar 6.28 dengan memvariasikan θ, n atau l. Dalam rekaman fotografi sistem cincin dicatat sebagai fungsi θ Untuk rekaman fotolistrik θ = 0° dipilih dengan menempatkan lubang kecil pada sumbu simetri, dan intensitas pada pusat dicatat dengan tabung photomultiplier . Sekarang baik l atau n berubah. Interferometer fabry perot biasanya terdiri dari dua substrat kuarsa datar dengan coating reflektif dan substrat yang tepat dipisahkan oleh spacer invar , n kemudian dapat bervariasi dengan mengubah tekanan gas di susunan Fabry-Perot ( scanning tekanan). Atau, jarak dapat bervariasi dengan menggunakan kristal piezoelektrik di puncak dari salah satu alas. Sebagai contoh, kami akan mempertimbangkan interferometer fabry-perot yang memiliki pemisahan cermin 1 cm (udara). Lapisan memiliki reflektifitas dari 98%. Kita kemudian memiliki v fsr C 2l 15GHz , N
≅150 dan δv = 100 MHz. Jika interferometer yang digunakan
pada 500nm
↔ 6 x 1014 Hz kemudian R = 6 x 105. Jelas, untuk interferometer seperti lebar garis
spektral dari sumber cahaya merupakan faktor pembatas. Karena ketidaksempurnaan kecil dan ukuran terbatas dari lingkaran aperture secara praktis dapat dicapai dengan sering berkurang resolusi. Karena resolusi tinggi interferometer fabry-perot telah banyak digunakan untuk mengukur struktur hyperfine dan pergeseran isotop. Garis spektrum menarik dipilih oleh monokromator atau filter gangguan. Pertama, berbagai spektrum bebas dari lebar yang cukup untuk mengakomodasikan semua komponen spektral garis dipilih untuk memungkinkan urutan yang benar dari komponen yang akan ditentukan. Kemudian lempeng bergerak terpisah lebih jauh, sehingga resolusi meningkat tetapi juga terjadi tumpang tindih. Semua komponen hyperfine memiliki fungsi Airy sendiri, yang dialihkan dengan menghormati satu sama lain. Pola fabry-perot berulang dengan periode rentang spektral bebas, yang digunakan untuk kalibrasi frekuensi. Contoh dari rekaman fabry-perot diilustrasikan pada gambar 6.29. Interferometer fabry perot dibahas dalam
[6.79]
.
Interferometer dengan cermin bulat juga dapat digunakan. Sebuah pengaturan yang sering digunakan digunakan dalam interferometer confocal , di mana pemisahan cermin l sama dengan r jari-jari cermin (gambar 6.30). Penamaan interferometer ini merupakan fakta bahwa fokus panjang/cermin dari radius r, f=r/2. Dalam interferometer confocal dimana cahaya saling bersaing dalam melewati antar cermin secara ganda sebelum sinar primer dan tembakan menyatu di cermin kedua dan dapat terganggu.
Karena ini sesuai dengan interferometer planar dengan dua kali pemisahan cermin dengan kisaran spektral bebas untuk interferometer confocal diberikan oleh
v fsr
c 4 l
(6.31)
Interferometer ini kasus khusus dari interferometer multi-pass, di mana N ganda lewat di antara cermin terjadi sebelum gangguan. Untuk interferometer seperti yang kita miliki
v fsr
c N 2 l
(6.32)
Hal ini dapat menunjukkan bahwa jari-jari cermin dan pemisahan cermin harus memenuhi relasi
l 1 cos N
2
(6.33)
Untuk N = 2 kita memiliki kasus khusus dari interferometer confocal . Sebagai contoh, kita bisa memilih interferometer multi-pass dengan pemisahan cermin 0.75 m beroperasi dengan
N = 4 (gambar 6.31). Kami menemukan r 0.75 1 1
2 2.56 m. Kisaran spektral bebas
untuk perangkat ini adalah v fsr c 4 2 0.75 50 MHz. Interferometer multi-pass sering digunakan untuk memonitori sinar laser dari frekuensi yang sangat tajam. Kisaran spektral bebas kecil dapat diperoleh tanpa menggunakan
interferometer yang sangat panjang. Menggunakan teknik multilayer pada kasus khusus baru3
baru ini telah menjadi mungkin untuk menghasilkan lapisan yang dengan urutan 10
(" supercavity"). Jelas, instrumen tersebut memiliki aplikasi penting untuk laser ultra-stabil dan metrologi presisi.
6.2.4 Spektrometer Transformasi Fourier
Spektrometer Transformasi Fourier (FTS) adalah interferometer dual-beam, yang paling sering digunakan dari jenis Michelson, seperti ditunjukkan pada gambar 6.32. Jika lengan interferometer memiliki panjang yang sama, perbedaan bagian antara dua tembakan pengganggu akan 0. Jika cermin dipindahkan Perbedaan ∆/2 jalur optik dari
∆ diperkenalkan. Untuk kasus
radiasi monokromatik dan inetnsitas tembakan dengan intensitas pada detektor yang sama akan
2
(6.34)
2 v
(6.35)
I I 0 cos 2 Dengan
2
2
c
Jika sumber cahaya menyebarkan spektrum B(v) kita akan menemukan,
1 I B v cos v dv B v 1 cos 2 v dv 20 c c 0 2
Bagian persamaan diatas menunjukkan bahwa ∆ dapat disebut interferogram
(6.36)
J
1 2
2 v dv c
B v cos
0
(6.37)
Spektrum B(v) dapat dihitung dari interferogram J (∆) sebagai transformasi cosinus fourier .
2 v dv c
B v J cos 0
Seperti perhitungan yang dilakukan pada komputer
[6.81]
(6.38)
dan secara khusus, prosesor yang
sangat cepat telah dibangun. Dalam prakteknya, cermin yang bergerak hanya berpindah dengan jarak terbatas (<1 m) dan oleh karena itu integrasi harus dilakukan selama suatu interval terbatas. Integrasi terbatas seperti ini menimbulkan sisi maksimum pada garis spektrum. Dengan menggunakan trik matematika, yang melibatkan perkalian dari integral pada persamaan (6.37) dengan fungsi khusus, yang tidak diinginkan dapat ditekan. Namun, prosedur ini, yang disebut apodisasi, menimbulkan garis spektrum yang lebih luas, interferogram memiliki banyak kesamaan dengan hologram. Setiap bagian dari itu berisi informasi tentang seluruh struktur, tetapi resolusi tinggi diperoleh hanya ketika sebagian besar hal tersebut digunakan. Salah satu keuntungan besar dari spektroskopi transfoermasi fourier adalah bahwa semua garis spektrum direkam pada saat yang sama (keuntungan multipleks atau Felgett ). Kecuali fotografi atau rekaman detektor array digunakan. Jenis yang disebutkan sebelumnya alat spectral yang hanya mengumpulkan informasi pada panjang gelombang yang sesuai setiap saat. Di wilayah IR, di mana pelat fotografi tidak tersedia, instrumen fourier yang sesuai cukup berharga. oleh karena itu, transformasi fourier , spektrometer memiliki cahaya yang relatif tinggi mengumpulkan efisiensi, karena tidak memerlukan celah sempit untuk alasan yang disebutkan di atas (keuntungan Jaquinot ). Instrumen semacam ini memiliki rasio sangat baik 7
signal-to-noise dan instrumen dengan resolusi R = 10 dapat dibangun. Pergerakan cermin biasanya dikendalikan oleh pinggiran dari laser HeNe. Contoh spektrum FTS ditunjukkan pada gambar 6.33. Interferometer dan interferometri telah dibahas dalam
[6.83-6.91]
.
6.3 Detektor Detektor merupakan alat yang sangat peka terhadap adanya radiasi, yang apabila terkena radiasi akan memberikan respon tertentu yang akan lebih mudah di amati. Detektor berguna sebagai alat untuk mengukur dan menentukan adanya radiasi. Photomultiplier tube adalah tabung hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai masukan pada salah satu ujungnya dan terdapat beberapa dinode untuk menggandakan elektron. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai. Elektron yang dihasilkannya akan diarahkan, dengan perbedaan potensial, menuju dinode pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa elektron sekunder bila dikenai oleh elektron. Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan dinode pertama akan menuju dinode kedua dan dilipat gandakan kemudian ke dinode ketiga dan seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir berjumlah sangat banyak. Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron tersebut akan diubah menjadi pulsa listrik. Karakteristik dari PMT adalah: Memanfaatkan efek fotoelektrik, Foton dengan energi lebih tinggi dari fungsi kerja melepaskan elektron dari permukaan katoda, Elektron dikumpulkan (dipercepat) oleh anoda dengan tegangan (tinggi), Multiplikasi arus (elektron) diperoleh dengan dinode bertingkat. Katoda dibuat dari bahan semi transparan.
Gambar 6.34. Wilayah sensitivitas dari emulsi photographic
Cara kerja PMT mirip Phototube, terdiri dari photocathod e dan beberapa buah anoda (tidak seperti pada phototube yang hanya terdiri dari satu buah anoda) yang disusun secara seri (disebut dynode). Sinar UV ( photons) yang ditembakan ke katoda akan menyebabkan emisi elektron dari katoda ke anoda. Anoda yang satu dengan yang lainya diberi beda potensial, sehingga apabila emisi elektron dari katoda sampai di dynode pertama, akan ada tambahan elektron yang diteruskan ke dynode berikutnya, dan seterusnya sehingga secara akumulasi jumlah elektron yang emisi di dynode terakhir semakin banyak (arusnya semakin besar), itu sebabnya mengapa PMT lebih sensitif dibandingkan dengan phototube.
Gambar 6.35 Kontruksi photomultiplier tube dan supply tegangan tinggi Pada gambar 6.35, PMT dan pasokan listrik akan ditampilkan. Sejumlah bahan katoda
dengan sensitivitas spektral yang berbeda dapat dipilih. Sensitivitas sering dinyatakan sebagai
efisiensi kuantum, yang merupakan jumlah foto elektron (<1) yang dapat diperoleh per serapan foton. Dua bahan umum adalah Na2KsBCs ("tri alkali") dan AgOC yang disebut bahan katoda ERMA yang memberikan tanggapan sebesar 0.9 µm. Pada gambar 6.36 kurva efisiensi kuantum untuk material photocathode.
Gambar 6.36 Efisiensi quantum untuk material photokatoda.
Sensitivitas kurva untuk detector material yang berbeda ditunjukkan pada gambar 6.37.
Gambar 6.37 Kurva sensitivitas detector material infra red
Gambar 6.38 Analizer multichannel optic dengan intensifier microchannel-plate dua dimensi dan dapat digunakan untuk pencitraan
Kita akan membahas aplikasi spektroskopi pencitraan tersebut kemudian. Bidang solid state detektor sinar-x berkembang pesat, didorong oleh aplikasi TV. Teknologi (Coupled Device Charge) seluruh area CCD akan menghasilkan kemungkinan-kemungkinan baru yang menarik untuk deteksi yang canggih. Informasi spektroskopi pencitraan elektro-optik detektor telah dibahas dalam
[6.102-6.104]
. Secara khusus, spektrometer pencitraan dapat dibangun, di mana lokasi
spasial yang berbeda di sepanjang garis di objek dicitrakan. Di arah tegak lurus spektrum dapat tersebar sehingga spektrum penuh di setiap titik di sepanjang garis yang dipilih direkam pada detector 2 dimensi. Teknologi ini digunakan, misalnya, dalam sistem penginderaan jarak jauh yang dipasang di pesawat atau satelit (bagian 6.6.2). aplikasi lebih lanjut detektor dua dimensi
tersebut adalah untuk memberikan simultan spektral dan temporal resolusi untuk objek. Dalam sistem seperti detektor ditempatkan pada bidang f okus kamera streak (bagian 9.5.1).
6.4 Komponen Optik dan Material 6.4.1 Interferensi
Perbedaan macam filter digunakan untuk memilih area spektral. Area spektral yang cukup sempit dapat di isolasi menggunakan interfereensi filter. Transmisi maksimum dari interferensi filter digeser kearah panjang gelombang pendek pada sudut inklinasi. Transmisi panjang gelombang baru lamda theta dapat dilihat dari persamaan di bawah ini : 0
•
n 2 sin 2 n
(6.39)
Dimana merupakan sudut datang dan n indeks bias dari layer spacer . Filter ini digunakan untuk membelokkan sinar cahaya.sehingga transmisi akan bergeser ke panajang gelombang lebih pendek.
•
Cermin dibuat dari multiple dielektrik layer dengan ketebalan
4 . Dengan
menambahkan beberapa layer, akan mempengaruhi pemantulan dan dapat ditentukan area panjang gelombangnya. •
Anti refleksi layer berupa permukan diantara medium luar (udara)
yang memeiliki
indeks bias nol, dan indeks bias komponen n, sehingga pemantulan R dapat diperoleh persamaan : 2
n n0 R R n n 0
(6.40)
6.4.2 Filter Penyerapan
Untuk area sempit dari tipe transmisi digunakan filter penyerapan yang lebih murah dan simpel. Filter ini lebih efesien pada panjang gelombang rendah. Filter penyerapan sangat berbeda dengan filter interferensi, dilihat dari penggunaan sudut datang dan pembelokkan tembakan sinar. Ada juga neutral density filter yang digunakan untuk mengurangi intensitas dari sinar cahaya.
D log10 1 T
(6.41)
Tabel 6.2. Densitas optik D dan transmisi T
6.4.3 Polarizers
Cahaya polarisasi dapat dianalisis menggunakan prisma atau film polarisasi. Pemantulan dengan sudut tidak normal dari sinar datang pada permukaan datar akan menghasilkan derajat polarisasi meurut formula Fresnel . Macam-macam prisma polarisasi :
Glan tylor dan glan thompson merupakan kombinasi dari dua prisma. Glan thompson memiliki sudut yang lebih besar tapi tidak dapat digunakan pada area UV karena penyerapan optikal semen.
Polarizing beam spliter merupakan kombinasi 2 prisma denngan sudut ke kanan membentuk kubus. Sinar yang tidak dipolasrisasi akan dibagi menjadi 2 yang saling teak lurus. Double fresnel rhomb digunakan untuk memutar cahaya polarisasi secara sembarang.
6.4.4 Optical Materials
Optikal komponen dibuat dari material trasnparan dengan ketentuan indeks bias. Area transmisi dapat diperluas mengguanakan quartz . Absorbsi yang kuat ada pada area dekat IR (2.7 mikro). Area transmisi UV dapat dipersempit dari 125 nm (mengguanakn CaF2) sampai 110 nm (mengguanakn LiF).
6.4.5 Pengaruh Medium Transmisi
Trasmisi juga dipengaruhi oleh medium luar seperti udara, karena udara yang berkomposisi oksigen, air, dan karbondioksida akan memiliki penyerapan dibawah 200 nm. Sehingga diperlukan spektroskopi vakum. Panjang gelombang yang diukur di udara terbuka dapat di perbaiki untuk indeks bias udaraa yang menghasilkan panjang gelombang vakum,
menggunakan perhitungan posisi energi level. Distribusi spektra dari radiasi matahari di atmosfer dan di laut memiliki indikator ikatan absorbsi yang berbeda.
n 1 air 0
n 1 108 8342.13
1 in m
1
(6.42)
2, 406,030 130
2
15,997 , 38.9 2
6.5 Metode optik untuk analisis kimia Metode yang digunakan bergantung pada interaksi antara sinar (UV-Tampak-IR) dengan materi. Intensitas yang di ukur dalam interaksi tersebut sangat terkait dengan konsentrasi zat-nya. Oleh karena itu analisis kuantitatif dapat dilakukan secara aku rat. Metode analisis optik menggunakan sinar-x sangat menarik untuk penentuan kehadiran dan konsentrasi jumlah zat. Kehadiran elemen kimia dapat ditentukan dan dapat untuk mengidentifikasi molekuler. Analisis molekuler dapat dilakukan menggunakan spektroskopi serapan IR dan XPS (Bab 5) dan NMR (Bab 7). Di bab 6 akan menjelaskan aplikasi dari metode analisis optik.
Aplikasi : a. Industri baja, industri bahan kimia, industri farmasi b. Bidang kedokteran, yaitu dalam penentuan hemoglobin dan konsentrasi logam dalam darah dan glukosa, albumin dan logam berat pada dalam air seni. c. Bidang pertanian, yaitu untuk menentukan konsentrasi elemen sampel tanah untuk menentukan kebutuhan pupuk. Dalam pelestarian lingkungan digunakan untuk mengukur 6
konsentrasi sejumlah besar zat di udara dan air dalam konsentrasi rendah (ppm 10 , ppb 9
12
10 , ppt 10 ). Teknik spektroskopi laser digunakan untuk mendeteksi atom tunggal (atom single). Metode analisis mulai mengalami perkembangan sejak abad 19 yaitu J.J Berzelius (17791848) menentukan unsur sekitar 2000 senyawa kimia. Tabel periodik dari elemen di kemukakan oleh D. Mendeleyev pada tahun 1872. Pada saat itu hanya ada 67 elemen yang dikenal. Pada tahun 1900 meningkat menjadi 83 elemen dan sampai saat ini ada 114 elemen. Analisis optik sering dilakukan dengan mengukur absorpsi. Hubungan antara konsentrasi dan absorpsi disebut dengan hukum Lambert-Beer .
6.5.1 Hukum Lambert-Beer
Gambar 6.55 Ilustrasi Hukum Lambert-Beer.
Cahaya monokromatik dengan intensitas P0 menumbuk sampel dengan ketebalan b seperti pada gambar di atas. Sampel dapat berupa solusi yang ada dalam sebuah kuvet. Pt adalah intensitas yang ditransmisikan sampel. Fraksi atenuasi
∆/ sebanding dengan absorber, ∆
pada interval kecil ∆
P P
k n k1c x
(6.43)
dimana k dan k 1 adalah konstan, c adalah konsentrasi sampel. Persamaan di ats di integrasikan menjadi P t
dP
P
N
b
kdn k1cdx, ln
P 0
0
0
P 0 P t
kN k1bc
(6.44)
Jadi absorbansi menjadi :
A log10
P0 Pt
0.434 ln
P 0 P t
(6.45)
Skala linier untuk transmisi dan skala logaritmik dari absorbansi.
Gambar 6.56. Skala linier untuk transmitansi dan korespondensi skala logaritmik untuk absorbansi.
Jadi
A k2 c (k 2 konstanta proporsional)
(6.46)
Ini adalah hukum Lambert- Beer yang menyatakan bahwa absorbansi sebanding dengan konsentrasi peredam dalam sampel. Perbandingan Pt/P0 disebut sebagai transmitansi T. Jadi Absorbansi menjadi :
A log10 T 1 0.434ln T 1
(6.47)
Dengan A adalah absorbansi, D adalah densitas optik. Dari persamaan 6.46 dan 6.47 maka
c c
A A
0.43 T A
T
Hasil error konsentrasi relatif dengan persamaan kuadratik adalah :
c
A
2
2
0.43 T T 0.43 1 T 2 T c A A T 1 AT
(6.48)
Dimana ralat konsentrasi relatif bergantung pada
∆ dan faktor 0.43 (1+T2)1/2/AT. Variasi dari
faktor ini sebagai fungsi dari A di tunjukkan pada gambar 6.57 di bawah ini :
Gambar 6.57 Ilustrasi kurva distribusi error
Pengukuran absorbansi atom atau molekul pada ground state. Absorbansi minimumnya di 0.48. Terjadi eksitasi dari ground state ke excited state pada titik tersebut. Eksitasi dapat terjadi dengan berbagai cara yaitu dengan termal atau percikan. Intensitas cahaya yang di pancarkan bergantung pada konsentrasi.
6.5.2 Absorpsi Atomik / Spektroskopi Emisi
Pewarnaan api pada logam garam telah dipelajari sejak abad 1860 oleh R. Bunsen dan G. R. Kirchoff menghubungkan antara garis emisi dan elemen tertentu. Sejak itu teknik spektroskopi dikembangkan lebih lanjut, termasuk untuk konstruksi alat pembakar dimana sampel dapat di suntikkan dan mengukur peralatan cahaya elektronik. Cahaya yang di dipancarkan karena termal hanya sedikit yang terukur atomnya, kebanyakan masih dalam ground state. Hukum Boltzmann mendeskripsikan hubungan antara nomor atom yang tereksitasi dengan nomor atom yang berada di ground state Nexc dan Ngr yaitu : N exc N gr
g exc g gr
e
E kT
(6.49)
Dimana gexc dan ggr adalah berat statistik (g=2J+1) dimana J adalah total momentum anguler elektronik bilangan kuantum. Perbandingan antara sumber cahaya kontinum dan sumber cahaya garis dalam pengukuran serapan atom di jelaskan pada gambar
Gambar 6.58 . Perbandingan antara sumber cahaya kontinum dan garis untuk pengukuran absorpsi atomik.
Pengukuran serapan atom berbeda dari spektrometer normal. Di butuhkan sumber cahaya garis karena dimensi monokromator tidak dapat mengatasi garis. Dengan sumber cahaya kontinum disaring menggunakan monokromator. Di sisi lain, jika lampu katoda hollow digunakan, lebar garis untuk unsur terkait dan penyerapan yang kuat dapat diperoleh. Monokromator tersebut masih diperlukan untuk menekan jalur lain yang tidak berasal dari keadaan dasar. Kehadiran garis tersebut jelas akan diencerkan penyerapan oleh atom. Umumnya, lampu katoda berongga khusus adalah digunakan untuk setiap elemen yang akan diukur. Dalam kasuskasus tertentu beberapa elemen dapat digabungkan dalam satu katoda berongga. Namun, selama waktu pembakaran lampu
terbatas pada sekitar 1000 jam, keuntungan terbatas. Sebaliknya,
ketentuan untuk cepat mengubah lampu dapat dimanfaatkan. Rekomendasi spektrum garis untuk spektrofotometri serapan atom diberikan dalam tabel 6.3. Dasar set-up untuk emisi atom, serta penyerapan spektrofotometri ditunjukkan pada gambar 6.59. Dalam modus penyerapan perlu untuk memodulasi output dari lampu, baik dengan modulasi arus debit atau dengan menggunakan pesawat mekanis. Sinyal pada PMT terdiri dari kontribusi DC karena atom termal memancarkan garis dipelajari dan kontribusi AC karena cahaya katoda berongga ditransmisikan. Gambar 6.60 sistem spektroskopi dual beam. Hasil diukur dengan ketidakseimbangan antara dual beam. Amplitudo sebanding dengan penyerapan atau absorbansi. Dengan metode ini laju intensitas lampu, sensitivitas detektor dan amplifikasi elektronik dapat di ringankan.
6.5.3 Burners, Flames, Preparasi dan Pengukuran Sampel
Spektroskopi serapan atom terdiri atas berbagai komponen yaitu: 1. Suplai daya. 2. Tabung
katoda
berongga,
yang
direkomendasikan
oleh
Walsh,
berisikan
sebuah anoda yang terbuat dari tungsten dan katoda silindiris yang berongga; tabung berisi gas inert seperti neon dan argon pada tekanan rendah (1-5 torr). Atom-atom gas diionisasi dan bergerak cepat menuju katoda negatif, di mana tabrakan dengan permukaan
yang
akan
melepaskan
atom-atom
logam
katoda.
Fenomena
ini
disebut desisan ( sputtering ). Atom logam yang terpercik akan mengalami eksitasi; kemudian,
dalam
daerah
lain
yang
lebih
dingin,
mereka
akan
memancarkan spektrum garis yang tampak seperti pijaran. 3. Pencacah, yang diletakkan antara sumber cahaya dan pembakar. Alat ini digunakan untuk modulasi cahaya yang keluar dari tabung katoda berongga. Alat ini akan berputar dengan kecepatan konstan sehingga cahaya akan mencapai pembakar dari intesnitas nol hingga maksimum dan kembali ke nol. 4. Pembakar. Dalam ruang pembakar terdapat atomizer . Untuk menganalisis serapan atom, sampel harus diatomisasi. Atomizer yang umumnya dipakai adalah pijaran api dan elektrotermal (tabung grafit). Penggunaan pijaran api merupakan teknik yang paling kuno dengan membakar campuran gas. Umumnya gas yang dibakar adalah hidrogen dan oksigen yang akan menghasilkan panas mencapai 2700°C. Sampel cairan disemprot menuju bara api menggunakan pengkabut (nebulizer ), sehingga akan menjadi
berbentuk aerosol mirip
seperti
penyemprot parfum. Gas
yang
digunakan
untuk
membakar juga dialirkan dalam ruang pembakar, sehingga harus diperhatikan laju perambatan nyala dan laju aliran gas ke dalam ruangan. Jika laju perambatan nyala lebih besar dari laju aliran gas, maka akan terjadi sebuah ledakan. Penggunaan pijaran api memiliki keunggulan yaitu tetes halus aerosol yang lebih seragam, tetapi kelemahannya adalah 80-90 % sampel diarahkan ke saluran pembuangan, sehingga kurang efisien dalam penggunaan jumlah sampel. Penggunaan grafit kadang-kadang lebih unggul bila dituntut untuk kepekaan yang lebih tinggi. Beberapa mikroliter sampel ditaruh pada batang grafit atau dalam lekukan suatu krus grafi yang kecil, lalu dialiran arus melalui alat pencuplikan sampel. Suhu dapat dinaikkan dengan sangat cepat yaitu 2000-3000 °C, maka terbentuk awan dari uap atom dalam beberapa detik. Uap itu dimasukkan ke dalam aliran gas lebam seperti argon untuk
mencegah
proses oksidasi dari
bahan atomizer itu
sendiri
dan
menggerakan sampel secepatnya melewati atomizer sehingga tidak mengkontaminasi dinding. 5. Monokromator. Berfungsi untuk menyeleksi sinar pada panjang gelombang tertentu yang dapat melewati sampel yang berasal dari tabung katoda. Monokromator diletakan pada antara pembakar dan detektor. 6. Detektor. Detektor yang berguna untuk mengubah kekuatan cahaya menjadi sinyal elektrik, dapat berupa tabung pengganda foton ( photomultiplier tube) karena garis-garis yang ditangani tergolong dalam sinar UV-tampak. 7. Penguat sinyal. 8. Komputer untuk memvisualisasi dan mengolah data.
Gambar 6.61. Ilustrasi evaluasi konsentrasi menggunakan solusi standard dan metode penambahan standar.
Ilustrasi evaluasi konsentrasi menggunakan metode solusi standar dan metode penambahan standar.
6.5.4 Metode modifikasi atomisasi
Dalam pembakar jenis dibahas di atas hanya sekitar 20% dari solusinya adalah dikabutkan, sedangkan sisanya hilang karena pembentukan tetesan besar yang terkuras habis. Selanjutnya, konsentrasi dalam nyala pada satu waktu rendah karena aspirasi terus menerus larutan sampel. Sejumlah teknik telah dikembangkan di mana seluruh sampel diuapkan, pada waktu yang sama menghasilkan puncak serapan kuat. Dalam grafit oven teknik sampel disuntikkan ke tabung grafit dipanaskan dengan listrik ditunjukkan pada gambar 6.62. Pemanasan dilakukan dalam tiga langkah. Pertama sampel dikeringkan pada suhu rendah. Kemudian dilakukan pada suhu yang lebih tinggi dan akhirnya menguap sebagai pemanasan saat ini meningkat lebih lanjut. tahap ketiga sampel tetap menguap dalam oven.
Gambar 6.62 Vaporasi Oven Graphite pada Analisis Sampel Perbandingan antara teknik api dan atomisasi api, ditunjukkan (gambar 6.63). Pertama dari kedua teknik sampel disimpan dalam secangkir kecil yang terbuat dari nikel. Kemudian dimasukkan ke dalam api dari celah serapan atom biasa burner . Sampel diuapkan dan uap melewati lubang ke tabung nikel yang dipasang horizontal di atas api cangkir. Dalam teknik sampel perahu ditempatkan dalam tempat yang memanjang yang terbuat dari tantalum. Sampel tersebut dibawa ke api tepat di bawah cahaya dan puncak penyerapan dicatat untuk waktu yang singkat.
Gambar 6.63. Delves Cup And Sample-Boat Arrangements
6.5.5 Analisis Multi Elemen
Hal ini sering diinginkan untuk dapat menentukan konsentrasi beberapa elemen secara bersamaan. Serapan atom kemudian praktis, karena lampu katoda hollow yang berbeda diperlukan. Metode emisi atom lebih cocok. Namun, kelemahan dengan teknik ini adalah eksitasi thermal api relatif sedikit, tetapi metode alternatif eksitasi dapat digunakan. Untuk waktu yang lama percikan api telah digunakan dalam analisis metalurgi. Dalam hal ini sampel harus solid sehingga membentuk salah satu elektroda. Untuk menghilangkan kelemahan pada sampel padat sumber eksitasi tipe baru, sumber Plasma (ICP) induktif, telah dikembangkan. Prinsip kerja untuk sumber ini diilustrasikan dalam gambar 6.64, tiga tabung kuarsa konsentris membawa gas mengalir. Kumparan induktansi diberi tenaga oleh generator RF yang ditempatkan di sekitar ujung atas bagian luar tabung. Gas argon berosilasi dan mengalir antara tabung luar dan tengah akan terionisasi dan membentuk plasma pada jangkauan suhu 5000-10 000 K. Beberapa gas argon juga mengalir antara bagian dalam dan tengah tabung untuk menstabilkan plasma dan mencegah kontak dengan tabung imier . Ketika sampel dimasukkan, tetesan yang baik di argon melalui ban, atomisasi lengkap dan eksitasi termal diperoleh dalam plasma panas.
Gambar 6.64. Prinsip pada Pasangan Induktif Sumber Plasma Cahaya yang dipancarkan dari sumber eksitasi tersebar dan dicatat oleh beberapa photodetectors yang ditempatkan di belakang sesuai terletak celah keluar (gambar 6.65). Teknik Serat optik juga dapat digunakan untuk mengumpulkan cahaya pada lokasi yang cocok dalam spektrometer bidang fokus untuk transmisi ke baterai PMTS. Kalibrasi
dapat disediakan dengan
menggunakan larutan standar atau elektroda standar.
Gambar 6.65. Sistem untuk Analisis Multi-Elemen Menggunakan sistem pengumpulan data yang dikendalikan komputer konsentrasi unsur-unsur yang dipilih dapat dicetak tak lama setelah pengenalan sampel. Sebuah sistem yang lengkap sering menggabungkan sarana pertukaran sampel.
6.5.6 Spektroskopi Molekuler
Dalam spektrofotometer, penyerapan sampel molekul dengan bahan (gas, cair atau padat) dapat diukur sebagai fungsi dari panjang gelombang. Penyerapan biasanya terjadi pada pita-pita yang tidak terlalu sempit dan karena hal tersebut sumber cahaya menjadi kontinyu, maka dapat digunakan sehubungan dengan penyelesaian perlengkapan spektral, yang biasanya kisi monokromator tetapi juga bisa menjadi sebuah spektrometer Fourier Transform
[6.145; 6.146]
.
Spektrofotometer berdasarkan kisi-kisi monokromator terdiri dari tipe dual-beam, dengan satu berkas lewat sel sampel dan sel referensi (kosong) dari jenis yang sama, sebelum intensitas ditransmisikan ada baiknya dibandingkan pada detektor. Susunan untuk instrumen ditunjukkan pada gambar 6.66. Instrumen ini biasanya dirancang untuk sinar UV/daerah tampak atau wilayah IR. Lampu tungsten atau deuterium (bagian 6.1.2) yang digunakan dalam instrumen sementara, misalnya, pandangan tajam Nernst , berfungsi di wilayah IR. Sejalan dengan itu, PMTS atau sel PbS digunakan sebagai detektor.
Gambar 6.66 Spektrofotometer pada tipe dual-beam Sampel yang akan dipelajari dalam spektrofotometer dapat berupa padat, cair atau gas. Cairan diselidiki dalam sel atau kuvet yang terbuat dari kuarsa ( 3 m) atau NaCl
(3 m 15 m) . Dinding sel dan pelarut akan mempengaruhi pengukuran, kemudian untuk
mengoreksi efek ini, sel referensi dari jenis yang sama diisi dengan pelarut yang sama namun tanpa molekul sampel yang digunakan. Transmitansi kemudian dapat ditulis
T
P solution
P
P solvent
P 0
(6.50)
Pelarut yang umum digunakan adalah karbon disulfida CS2 (7.5 16 m) dan karbon tetraklorida CCI4 (2.5 7.5 m) . Jika pelarut yang digunakan sangat menyerap maka panjang sel harus tetap pendek, misalnya 0.01 mm. Padatan yang tidak dapat larut dapat digiling menjadi partikel halus ( 2 m) agar tersuspensi dalam minyak. Kebanyakan senyawa anorganik dan organik dalam fase cair atau padat menimbulkan puncak serapan yang luas. Pengecualian adalah ion lantanida dan aktinida yang memiliki ketajaman, puncak dapat diketahui dengan baik di daerah sinar UV dan sinar tampak. Puncak terjadi karena transisi dari optik aktif elektron 4f atau 5f yang terlindung oleh elektron luar. Sampel gas diselidiki dalam sel multi-pass yang memberikan fitur penyerapan sangat tajam yang sesuai pada resolusi spektral. Sebuah perangkat untuk studi gas adalah sel putih
[6.147]
, yang
beberapa refleksi dapat digunakan untuk mencapai jalur penyerapan efektif lebih dari 100 m bahkan jika panjang fisik sel hanya 1 sampai 2 m. Susunan optik dalam sel putih diilustrasikan pada gambar 6.67.
Gambar 6.67 Susunan Optika untuk Sel Putih
[6.148]
.
Spektrofotometri di daerah sinar UV/tampak/IR dapat digunakan untuk analisis kualitatif serta kuantitatif. Analisis kualitatif dilakukan dengan membandingkan secara empiris spektrum yang diukur dengan spektrum referensi yang telah katalog untuk sejumlah besar senyawa 6.155]
[6.149-
. Untuk analisis kuantitatif, dengan prinsip yang sama seperti yang digunakan dalam
spektrometri dengan memanfaatkan serapan atom. Struktur diamati di wilayah IR adalah karena transisi vibrasi. Ini menimbulkan fitur spektral agak tajam, bahkan untuk cairan dan padatan, dibandingkan dengan yang diperoleh, untuk transisi elektronik yang normal diamati dalam UV/daerah tampak. Gerak rotasi diredamkan dan dengan demikian yang diamati hanya memperluas transisi getaran. Dalam fundamental molekul rumit banyak frekuensi, sesuai dengan kelompok atom yang berbeda, diperoleh (Bag.3.4). Ini memfasilitasi identifikasi zat. Pada Tabel 6.4 contoh karakteristik frekuensi diberikan. Dua contoh spektrum serapan IR diberikan pada Gambar. 6.68.
6.5.7. Spektroskopi Raman
Seperti yang telah kita catat sebelumnya, spektroskopi Raman melengkapi spektroskopi IR. Sebuah fitur khusus dari spektroskopi Raman adalah bahwa molekul tanpa momen dipol dapat diselidiki, misalnya H2, N2, dan O2. Pada awal pengukuran spektroskopi Raman sinar +
lampu Hg kuat digunakan sebagai sumber cahaya. Dalam instrumen modern sebuah laser Ar (bagian8.4.5) dengan daya output beberapa watt dalam satu baris (biasanya 514.5 atau 488.0 nm) digunakan. Cahaya yang tersebar dari sampel dianalisis dengan spektrometer. Biasanya spektrometer ganda atau triple yang digunakan, hal tersebut karena sangat penting untuk menekan cahaya sebaran Rayleigh. Dirancang khusus filter lapisan dielektrik yang sepenuhnya mengirimkan panjang gelombang sekitarnya tetapi sangat menolak panjang gelombang laser yang (filter takik) juga sangat membantu dalam spektroskopi Raman. Polarisasi pada cahaya sebaran raman dapat memberikan informasi tambahan yang berharga pada struktur molekul yang diselidiki. Dalam spektroskopi Raman sangat penting untuk bekerja dengan zat murni untuk menghindari perlindungan komponen raman lemah fluoresensi broadband dari kotoran. (komponen Stokes berada di sisi yang sama dari garis eksitasi seperti lampu fluoresensi pergeseran sinar merah). Teknik raman telah dibahas dalam
[6.89; 6.157 - 6.161]
.
Tabel 6.4 Karakteristik frekuensi ikatan vibrasi pada kelompok molekul tertentu
Gambar 6.68. Dua contoh pada absorpsi spektra IR: (a) gas carbon monoxide [6.156] thulium pada matriks crystalline .
[6.154]
; (b) ion
Gambar 6.69. Spektrum raman pada cairan CH2Cl2 dengan menggunakan laser ion-argon [6.162] dipancarkan pada 515 nm . Sebagai contoh spektrum raman dari cairan rekaman untuk CH2CI2 ditunjukkan pada gambar 6.69. Spektra raman untuk gas akan dibahas dalam bagian 10.1.3. 6
Hamburan raman dapat ditingkatkan dengan faktor urutan 10 jika garis eksitasi bertepatan dengan transisi elektronik diperbolehkan (efek resonansi raman). Dalam beberapa tahun terakhir beberapa jenis spektroskopi raman koheren [6.163] telah diperkenalkan, misalnya spektroskopi raman koheren anti-stokes (CARS) (bagian 8.6 dan 10.1.4) dan keuntungan spektroskopi raman.
6.6. Opti cal Remote Sensin g Pada bagian sebelumnya kita telah menggambarkan bagaimana optik spektroskopi dapat digunakan untuk menganalisis sampel di laboratorium. Pada bagian ini kita akan menjelaskan bagaimana spektroskopi dapat memberikan informasi tentang lingkungan dengan melakukan pengukuran pada jarak. Penginderaan jauh adalah istilah umum yang digunakan untuk teknik dengan cara informasi kondisi fisik atau kimia di lokasi spasial terpencil dapat diperoleh dengan menggunakan peralatan yang sesuai. Dalam konsep penginderaan jauh kemungkinan mengubah cepat objek penelitian disertakan. Prinsip penginderaan jauh diilustrasikan pada gambar 6.70. Dengan menggunakan gelombang elektromagnetik, peralatan penginderaan jarak jauh
(umumnya disebut sensor) berada dalam kontak dengan volume pengukuran spasial terpisah, yang ditandai dengan parameter P1, P2, P3, dll. Menggunakan sensor dengan nilai parameter tertentu, Pi, pengukuran volume dapat dibaca off. Proses pengukuran melibatkan analisis radiasi mencapai sensor dari objek dan dapat dicirikan sebagai penerapan jenis spektroskopi molekuler [6.165]
. Penginderaan jauh dapat dilakukan dengan menggunakan teknik pasif atau aktif.
Sementara perubahan dalam distribusi spektral radiasi latar belakang (misalnya, sinar matahari) yang dianalisis menggunakan teknik pasif, perubahan radiasi yang ditransmisikan oleh peralatan karena interaksi dengan pengukuran volume yang dipelajari dalam teknik aktif. Konsep-konsep ini dapat diilustrasikan dengan contoh sederhana. Dalam fotografi warna dari benda yang diterangi matahari, sifat penyerapan dan refleksi (warna) dari obyek dapat dinilai dengan mengetahui komposisi spektral radiasi matahari dan sensitivitas warna film. Foto itu merupakan rekaman penginderaan jauh menggunakan teknik pasif. Jika bukan obyek yang telah difoto di ruangan gelap menggunakan lampu senter dengan distribusi spektral tertentu (simulasi sinar matahari dengan frekuensi sering) rekaman aktif akan diperoleh. Contoh ini menggambarkan bahwa penginderaan jauh merupakan konsep yang sangat umum. Informasi yang dapat diperoleh dari berbagai jenis: Informasi geometris (peta), sumber daya alam, informasi meteorologi atau konsentrasi polutan atmosfer.
Gambar 6.70. Prinsip Remote Sensing
[6.164]
.
Gambar 6.71. teknik remote sensing aktif dan pasif
[6.164]
.
Sistem penginderaan jarak jauh dapat dipasang pada platform yang berbeda tergantung pada jenis pengukuran yang diuji. Sebuah sensor yang dipasang pada satelit dapat memiliki cakupan global. Banyak berbagai satelit yang mengorbit di atas bumi dilengkapi dengan sensor untuk memantau kondisi meteorologi, sumber daya bumi atau pengawasan militer. Contoh serangkaian satelit mentransmisikan informasi kepada stasiun bumi-penerima melalui link microwave yaitu TIROS, LANDSAT, dan SPOT. Sensor udara atau sistem lahan selular dapat digunakan untuk penginderaan jauh regional. Akhirnya, sistem yang ditetapkan cocok untuk memantau daerah perkotaan atau industri. Pada gambar 6.71 perbedaan teknik penginderaan jarak jauh pasif dan aktif diilustrasikan. Refleksi selektif radiasi matahari dari permukaan bumi, penyerapan atau emisi termal atmosfer dapat dipelajari dengan teknik pasif. Teknik aktif sering menggunakan laser atau radiasi gelombang mikro. Transmisi atau hamburan radiasi tersebut dapat menghasilkan informasi tentang cuaca atau permukaan darat dan laut.
6.6.1 Memonitoring Atmosfer dengan Teknik Pasif
Beberapa teknik pemantauan atmosfer pasif akan dibahas di sini, sementara teknik aktif untuk tujuan tersebut akan dijelaskan dalam bab 10. Prinsip umum pemantauan atmosfer pasif diilustrasikan pada Gambar 6.72. Penyerapan radiasi matahari atau langit, yang disebabkan oleh konstituen atmosfer, dapat diukur dengan menggunakan spektrometer yang cocok. Frekuensi yang diamati penyerapan digunakan untuk identifikasi gas, dan kekuatan dari garis penyerapan menentukan konsentrasi menyerap molekul menurut hukum Beer-Lambert (Bag. 6.5.1). Jika koefisien penyerapan (v) gas tersebut diketahui dari pengukuran laboratorium, jumlah molekul yang menyerap dapat ditentukan dari rasio antara intensitas radiasi yang diterima intensitas asli
P0 (v)
Pt (v)
dan
. Jika N (r ) adalah konsentrasi molekul pada r kisaran yang kita miliki
Gambar 6.72 prinsip monitoring atmosfer pasif
Pt (v)
exp (v) N (r )dr 0 P0 (v)
[6.166]
.
(6.51)
Dengan demikian, konsentrasi rentang dapat diselesaikan biasanya tidak dapat diperoleh dengan menggunakan teknik pasif karena jalur penyerapan tidak terdefinisi. Jika ada inversi suhu di atmosfer, tidak ada pencampuran yang terjadi melalui lapisan inversi dan nilai rata-rata konsentrasi hingga ke lapisan inversi dapat diperoleh dalam pengukuran vertikal. Penggunaan satelit, pengukuran serapan dapat dilakukan saat matahari terbit dan terbenam melalui berbagai ketebalan atmosfer (penyerapan "tungkai") (Gambar 6.73). Profil konsentrasi vertikal kemudian dapat dihitung dari data penyerapan. Dengan kehati-hatian mengukur bentuk garis penyerapan
adalah dimungkinkan untuk menentukan profil konsentrasi vertikal melalui prosedur dekonvolusi, mengambil perluasan tekanan (bagian 6.1.1) pada ketinggian yang berbeda ke laporan
[6.167; 6.168]
(bagian 10.2.1). Kisi-kisi, Transformasi Fourier atau spektrometer heterodyne
dapat digunakan untuk menganalisis distribusi spektral. Monitoring berbasis darat terhadap potongan matahari atau bulan juga dapat dilakukan
[6.169]
.
Gambar 6.73 Absorpsi bahan permukaan dari satelit.
Masalah khusus dalam pemantauan atmosfer optik adalah turbulensi yang selalu hadir pada udara yang membuat intensitas cahaya yang tercatat berbeda secara substansial (maka "sekejap" pada bintang-bintang). Namun, amplitudo fluktuasi tersebut diabaikan untuk frekuensi di atas 100 Hz. Pengamatan ini biasa disebut pendaftaran daerah panjang gelombang kecil dengan puncak dan lembah dalam waktu urutan 10 ms, jika serapan bersih kecil terdeteksi. Hal ini dapat dilakukan dengan bertukar celah keluar pada spektrometer untuk perputaran potongan dengan pemindaian celah radial spektrum di depan permukaan detektor yang cukup besar (misalnya, 5 cm diameter PMT). Untuk memastikan ribuan SNR yang baik pada pemindaian individu dapat ditambahkan dalam komputer, yang memungkinkan fitur penyerapan sekecil 0,01 persen untuk dideteksi. Dengan sensitivitas tersebut tidak hanya polusi udara yang dapat dideteksi tetapi juga kehadiran berbagai konsentrasi rendah radikal atmosfer seperti HONO dan NO3. Teknik ini biasanya dikombinasikan dengan penggunaan kontinum buatan sumber cahaya jauh seperti lampu xenon tekanan tinggi (bagian 6.1.2). Teknik ini kemudian biasanya disebut sebagai doas (spektroskopi serapan diferensial optik)
[6.170-6.174]
. Efek yang sama dapat diperoleh
dengan secara simultan merekam spektrum resolusi tinggi dan resolusi rendah (normalisasi)
spektrum menggunakan spektrometer dengan celah dual output dan kemudian membagi satu sinyal oleh yang lain
[6.175]
. Sebuah susunan doas untuk memantau polusi perkotaan ditunjukkan
pada bagian atas gambar 6.74 dan penggunaannya untuk pengukuran sulfur dioksida diilustrasikan dalam empat panel di bagian tengah gambar
[6.172]
. Dalam panel (a) distribusi
spektral lampu xenon sejauh 2 km dicatat dalam daerah panjang gelombang 280-320 nm setelah lampu melewati atmosfer kota tercemar. Fitur penyerapan kecil sekitar 300 nm diperbesar dalam panel (b), di mana urutan polinomial 5 (tidak bisa mengikuti undulations cepat) juga dipasang ke spektrum. Dalam panel (c) spektrum atmosfer dibagi oleh kurva yang dipasang untuk memberikan spektrum ternormalisasi dengan kasus distribusi spektral dengan intensitas lampu yang konstan. Akhirnya, dalam panel (d) spektrum laboratorium untuk sulfur dioksida (kurva putus-putus) dipasang dan kami amati kecocokan hampir sempurna dalam representasi logaritmik. Rasio pencampuran rata-rata pada 4 ppb dievaluasi. Di bagian bawah pada grafik eksperimen data doas untuk amonia ditampilkan
[6.173]
. Sekali lagi, spektrum laboratorium telah
dipasang. Molekul NH3 menyerap sekitar 210 nm, di mana intensitas lampu cukup rendah dan di mana hamburan atmosfer juga sangat melemahkan cahaya. Teknik doas juga dapat digunakan dengan menggunakan radiasi langit (hamburan matahari) sebagai sumber cahaya (pasif). Pada gambar 6.75 rekaman spektrum vertikal langit di sisi (b) dan di bawah (a) plume vulkanik Gunung Etna ditampilkan
[6.176]
, bersama dengan kurva
(logaritmik) diperoleh ketika membagi dua kurva satu sama lain. Tanda spektral SO2 jelas muncul seperti yang ditunjukkan oleh fit hampir sempurna untuk spektrum laboratorium (lihat juga gambar 6.74 (tengah)). Karena hamburan atmosfer adalah kompleks dan tidak hanya terjadi di atas plume, tetapi juga di dalam dan di bawah, perhitungan kolom gas melibatkan beberapa koreksi (lihat juga bagian 10.2.3). Pada gambar 6.75 pola garis kompleks Fraunhofer bercampur dengan fitur penyerapan spesies atmosfer utama ditampilkan. Juga, perhatikan cut-off terhadap panjang gelombang yang lebih pendek sekitar 300 nm yang dikarenakan oleh ozon stratosfer!
Gambar 6.74. Atas: Susunan untuk spektroskopi doas. Tengah: Contoh Pengukuran dengan [6.172] sinyal karena konsentrasi rata-rata pada 4 ppb SO2 lebih dari 2000 m . Bawah: Spektrum atmosfer NH3 direkam dengan sistem doas di atas 265 bagian 2 meter di atas padang rumput di [6.173] daerah pedesaan .
Gambar 6.75. Rekaman doas pasif menggunakan radiasi biru langit sebagai sumber penerangan. Spektrum langit direkam melalui plume vulkanik Gunung Etna (a) dan di sisi plume (b) akan ditampilkan bersama-sama dengan pembagian spektrum yang jelas menunjukkan adanya SO2 [6.176] . Instrumen yang disebut spektrometer korelasi juga dapat digunakan untuk analisis gas pasif. Dalam sistem ini spektrum yang tersimpan dalam instrumen dibandingkan (berkorelasi) dengan spektrum cahaya yang masuk dan sinyal yang sebanding dengan jumlah serapan molekul dari jenis tertentu yang dihasilkan. Korelasi dapat dilakukan dengan cara yang berbeda. Dalam dispersif, spektrometer foto elektrik merekam lempeng logam dengan celah yang dibuat untuk baris gas tertentu agar bervibrasi bolak-balik dalam bidang gambar dan komponen ac pada intensitas yang ditransmisikan sehingga dapat direkam (gambar 6.76). Jika lampu tidak menunjukkan garis tertentu maka tidak akan ada korelasi, tetapi jika garis yang hadir, sistematis kenaikan dan penurunan dalam intensitas yang ditransmisikan diperoleh ketika lempeng dipindahkan. Pola lempeng dapat dijadikan cincin konsentris yang diletakkan di atas potongan
kuarsa bulat yang diputar di bidang fokus. Selama setengah lingkar pola sedikit perubahan dari garis spektrum
[6.177]
.
Gambar 6.76. prinsip spektrometer korelasi dispersif lempengan. Dalam berbagai jenis instrumen sel gas yakni bukan digunakan untuk korelasi
[6.178]
.
Sebuah spektrometer korelasi gas ditunjukkan pada gambar 6.77. masukan cahaya lampu bergantian dikirim melalui sel yang berisi gas yang akan dipelajari seperti konsentrasi tinggi atas sedikit atau tidak adanya cahaya yang bisa lewat pada panjang gelombang serapan, dan melalui sel referensi kosong. Untuk kasus pada gas eksternal kosong abu-abu (bergradasi kontinyu filter densitas netral) disesuaikan sehingga intensitas yang sama diperoleh melalui kedua saluran spektrometer dalam passband tertentu diisolasi oleh filter. Sekarang, jika awan polusi eksternal hadir, sinyal melalui sel korelasi gas tidak terpengaruh, karena penyerapan tidak lebih tinggi dari penyerapan penuh. Di sisi lain, lampu melalui sel referensi berkurang karena garis penyerapan awan. Dengan demikian ketidakseimbangan dicatat pada keseimbangan detektor lock-in. Hal tersebut bertujuan untuk kalibrasi, sel tersebut dikenal (konsentrasi x panjang) – suatu nilai dimasukkan pada bagian cahaya di depan spektrometer korelasi. Konsep korelasi gas dapat diperluas untuk kasus pencitraan, di mana gambar direkam baik melalui sel gas maupun langsung
[6.179]
. Dengan mengurangi atau membagi gambar pixel
demi pixel , hanya bagian yang dipengaruhi oleh penyerapan gas tertentu yang akan dipisahkan. Karena sebagian besar gas memiliki daya serap di wilayah IR, Kamera IR beroperasi dalam mode pemindaian detektor tunggal ("thermovision") atau dengan IR CCD (bagian 6.3).
Gambar 6.77 prinsip spektrometer korelasi gas Latar belakang didistribusikan sumber radiasi (langit, dinding, tanah atau selubung panas buatan) maka harus memiliki suhu yang berbeda dari gas yang akan dicitrakan (lihat juga gambar 7.29 dan
[6.180]
).
Peningkatan set-up korelasi tanpa bagian yang bergerak, dapat dicapai dengan modulasi spektrum penyerapan gas dalam sel referensi. Kemudian jalur optik tidak perlu dibagi menjadi dua jalur, tetapi gas eksternal dapat diamati melalui sel termodulasi seperti yang ditunjukkan pada gambar 6.78, di mana kasus khusus transmisi cahaya melalui jarak yang cukup jauh dengan menggunakan serat optik yang ditunjukkan
[6.181]
. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan
tekanan, modulasi Stark atau Zeeman. Modulasi pada detektor di hadapan gas dipilih dalam pengukuran volume yang disebabkan oleh penurunan serapan dalam sel modulasi, dimana gangguan yang memperluas garis, sehingga mengurangi kapasitas pemblokiran sel untuk penyerapan gas unmodulated .
Gambar 6.78. Ilustrasi spektroskopi termodulasi gas-korelasi untuk kasus sistem pemantauan gas serat optic.
Sebuah cara lebih lanjut dari monitoring penyerapan gas adalah menempatkan sel pengukuran dalam salah satu lengan dari interferometer Michelson, yang untuk kasus ini tidak adanya jejak gas dalam sel yang disesuaikan dengan pengaturan lengan panjang yang sama untuk transmisi sinyal minimum pada detektor. Hal ini dimungkinkan dalam berbagai panjang gelombang yang relatif besar, yang dipilih oleh filter kemudian ditempatkan setelah lampu. Jika komponen penyerapan gas hadir dalam sel, penyerapan cahaya pada panjang gelombang tidak dibatalkan oleh gangguan pada detektor, dan sinyal spektral muncul dalam "emisi" dari nol, meskipun sinyal penyerapan lemah
[6.181]
. Perubahan indeks bias, dll, biasanya hanya
menimbulkan efek kecil dalam pengukuran ini, yang dapat diandalkan hanya pada penyerapan ketidakseimbangan optik antara lengan.
6.6.2. Pengukuran Tanah dan Air dengan Teknik Pasif
Dalam pemantauan pasif pada permukaan tanah atau air sifat reflektif atau emisi termal IR biasanya digunakan. Dalam pemantauan sumber daya bumi sifat refleksi selektif dari berbagai jenis bahan, terkena sinar matahari, diterapkan. Pada gambar 6.79 beberapa kurva reflektansi yang akan ditampilkan.
Foto udara multi-spektral merupakan jenis penginderaan jauh reflektif yang paling sederhana. Sejumlah kamera identik dilengkapi dengan filter yang berbeda, yang diaktifkan pada saat yang sama. Teknik ini menghasilkan gambar secara langsung dan dapat digunakan untuk memantau vegetasi lahan, dan minyak, ganggang dan kekeruhan dalam air. Sensitivitas bahan fotografis hanya meluas ke dekat wilayah IR, yang membatasi kemungkinan perbedaan antara bahan yang berbeda.
Gambar 6.79. Kurva reflektansi untuk permukaan tanah yang berbeda (Setelah L. Wastensson). Banyak zat dan bahan memiliki tanda adanya karakteristik spektral di bagian wilayah IR yang tidak tercakup oleh emulsi fotografi. Sebagai teknik dengan tujuan umum pada daerah panjang gelombang yang luas. Multi-Spectral Scanning (MSS) yang dilakukan dari pesawat terbang, atau lebih baik lagi satelit, dapat digunakan. Prinsip teknik ini diilustrasikan pada gambar 6.80. Berbagai titik di permukaan bumi yang dirasakan secara berurutan menggunakan cermin scanner ditempatkan di depan sebuah teleskop pengumpul cahaya (sensor "whisk-broom"). Sebagai sensor platform bergerak maju, tertentu ("petak") pada permukaan ditutupi dengan cara menyerupai scanning pada layar TV. Radiasi ini dibagi menjadi pita panjang gelombang yang berbeda yang dicatat dalam detektor paralel. Setelah digitalisasi, informasi yang disimpan pada perekam atau dikirimkan ke stasiun penerima di permukaan. Saat ini, satelit LANDSAT Amerika
beroperasi dari ketinggian sekitar 700 km dan memiliki petak sekitar 185 km. Reflektifitas permukaan dirasakan dalam 7 pita yang berpusat di 0.49, 0.56, 0.66, 0.83, 1.65, 2.25 dan 11.45 2
µm, Resolusi spasial adalah 30 x 30 m . Panjang gelombang pita (tidak termasuk pita thermal 11.45 µm, pita dilambangkan 6) ditunjukkan pada gambar 6.81, ditumpangkan pada pantulan spektrum dari daun (hijau, menguning). Pita spektral dalam inframerah (MIR) wilayah tengah yang dipilih untuk mencegah gangguan dari pita penyerapan atmosfer yang kuat karena CO2 dan H2O (Lihat gambar 6.51). Stasiun penerima didistribusikan di seluruh dunia. Data digital pertama harus diperbaiki untuk peta jaringan yang normal untuk menghilangkan pengaruh sudut pengamatan. Paket data 2
preprocessed dengan cara ini, yang disebut "adegan", yang meliputi permukaan 185 x 185 km , misalnya, yang tersedia untuk pengguna. Pengolahan gambar kemudian dapat dilakukan dengan sistem komputer interaktif canggih. Sebuah klasifikasi informasi dalam sebuah adegan dapat dibuat dengan menggunakan tanda spektral yang disimpan. Dengan demikian peta dapat diproduksi untuk menunjukkan, misalnya, berbagai jenis tanaman yang diidentifikasi oleh tanda spektral
[6.182]
. Tren hadir dalam pengolahan citra digital meliputi pemanfaatan peningkatan garis
geometris dan pola granulasi (tekstur). Bidang ini berkembang sangat pesat. Detektor array dapat digunakan untuk menghilangkan kebutuhan cermin pemindaian (sensor "push-broom"). Dua dimensi detektor dapat menggabungkan informasi spasial dan spektral (spektrometer pencitraan, lihat juga bagian 6.3.)
[6.183]
. Konsep ini diilustrasikan pada gambar 6.82. Untuk
setiap integrasi sinyal pada detektor, data spektral sepanjang petak tegak lurus terhadap arah penerbangan satelit yang dikumpulkan sebagai kolom berdekatan pada detektor dua dimensi. Pada integrasi sinyal berikutnya satelit telah berpindah maju dan data untuk petak berikutnya pada tanah dikumpulkan. Jenis teknologi yang digunakan pada satelit SPOT Perancis, yang 2
memiliki resolusi spasial sekitar 20 x 20 m . Hal ini juga menggabungkan pada beberapa sistem satelit baru seperti LANDSAT 7 (diluncurkan 1999). Sistem sensor dengan resolusi spektral yang sangat tinggi dan banyak pita spektral juga telah dikembangkan, misalnya, SeaWiFS (Seaviewing Wide Field-of-view Sensor ) di papan satelit Seastar , yang diluncurkan tahun 1997. sistem sensor airborne dengan spasi seratus saluran spektral juga beroperasi, melakukan pencitraan. Gambar 6.83 menunjukkan peta satelit bagian selatan Swedia, data multispektral telah diproses untuk menunjukkan tutupan hutan.
Gambar 6.82 Prinsip push-broom sensor multispektral
Gambar 6.83. Tutupan hutan peta pada Swedia selatan, diolah dari LANDSAT dan citra satelit SPOT. Sebuah pembesaran area danau besar disertakan. Piksel hutan gelap dalam gambar (Courtesy: Swedia Space Corporation). Pengukuran IR untuk menilai suhu permukaan yang menarik dalam banyak konteks. Salah satu aplikasi yang memantau panas plume dalam air yang berdekatan dengan pembangkit
listrik tenaga nuklir. Sebagai contoh dramatis dari konsep ini ditunjukkan pada gambar 6.84, mendokumentasikan kecelakaan reaktor Chernobyl yang dideteksi oleh satelit SPOT dan LANDSAT. Kecelakaan itu diwujudkan dalam perubahan besar dalam sebelum distribusi air hangat dan sesudah kecelakaan dalam terjadinya hot spot (satu pixel) menandai gedung reaktor.
Gambar 6.84. Olahan gambar SPOT area nuklir power plant Chernobyl, sebelum dan sesaat setelah kecelakaan reaktor (26 April, 1986). Kiri atas: kecelakaan sebelumnya. Kanan atas: setelah kecelakaan; pendingin air sungai terganggu. Kiri: pembesaran menunjukkan gedung reaktor yang rusak sebagai anomali spektral, pada panah (Courtesy: Swedia Space Corporation)
Dengan memonitor suhu inersia dalam siklus diurnal, informasi tentang berbagai jenis batuan, misalnya, dapat diperoleh dari dinamika panas. Secara umum, membandingkan citra satelit dari waktu yang berbeda tetapi dikoreksi dengan presisi geometri yang sama, banyak informasi tentang mengubah proses pada skala lokal atau global dapat diperoleh. Teknik dan aplikasi analisis multi-spektral dari ruang angkasa telah dibahas, misalnya, dalam
[6.184-6.188]
.
Pencitraan thermal cukup berguna dalam penginderaan jauh, tetapi juga memiliki banyak aplikasi lain
[6.189]
. Dengan demikian, kamera "ThermoVision" dapat digunakan untuk mencari
kebocoran panas dari rumah di daerah dingin atau kebocoran pada jaringan pemanasan kota di bawah jalan. Teknik ini juga memiliki aplikasi dalam menemukan "coldsolder " sendi pada sirkuit papan (pemanasan bersama) dan telah diteliti untuk lokalisasi tumor (kenaikan suhu jaringan).
6.7. Spektroskopi Astrofisika Dengan cara yang sama seperti pada analisis optik laboratorium dan penginderaan jauh adalah memungkinkan untuk menggunakan karakteristik panjang gelombang dan intensitas garis cahaya dari sumber astronomi untuk analisis kualitatif dan kuantitatif kandungan kimia dari bintang-bintang dan benda-benda lain [6.196-6.198]
[6.190-6.195]
. Radiasi dikumpulkan dengan teleskop besar
. Pada bagian ini kami akan memberikan beberapa contoh yang menggambarkan
bagaimana pengetahuan dapat diperoleh pada obyek astronomi dengan analisis radiasi elektromagnetik di wilayah optik. "Suhu permukaan" dari sebuah bintang dapat ditentukan dari fitur spektral. Bintang yang dibagi ke dalam kelompok sesuai dengan suhu mereka (tertinggi terendah): bintang tipe O, B, A, F, G, K, dan M. Pada gambar 6.85 beberapa rahasia spektrum bintang yang diberikan. Tabel 6.5 daftar fitur spektral khusus yang berkaitan dengan kelompok yang berbeda. Spektrum bintang biasanya terdiri dari garis penyerapan yang terjadi ketika radiasi kontinum intens dari interior panas bintang disaring melewati atmosfer bintang luar yang dingin. Kekuatan dari garis penyerapan merupakan ukuran banyaknya elemen. Sebagai ukuran dalam penentuan jumlah serapan atom yang disebut lebar setara dengan garis spektral yang digunakan. Lebar setara didefinisikan sebagai lebar kotak persegi yang menutupi permukaan yang sama dengan profil garis penyerapan sebenarnya, seperti yang diilustrasikan pada gambar 6.86. Contoh dari eksperimental garis bintang direkam dan disertakan dalam gambar.
Gambar 6.85 klasifikasi spektral bintang [6.195].
Hubungan antara lebar setara dan jumlah serapan atom disebut kurva pertumbuhan. Jelas, probabilitas untuk transisi dianggap sangat penting dalam konteks ini dan akan kembali ke titik probabilitas ini nanti (bagian 9.4.3). Dalam perhitungan perlu mengasumsikan model tertentu untuk atmosfer bintang. Pada gambar 6.87 interval kecil panjang gelombang dari spektrum matahari ditampilkan, direkam pada resolusi spektral tinggi. Garis resonansi dari Ca II sangat menonjol. Kelimpahan relatif unsur-unsur di bawah sinar matahari, seperti yang diperoleh dengan menggunakan analisis spektral, diberikan pada gambar 6.88. Garis emisi juga terjadi pada radiasi bintang, terutama dari bintang yang panas, misalnya dari bintang Wolf-Rayet . Dalam korona matahari, garis emisi dari atom yang sangat terionisasi terjadi. Beberapa dari garis-garis yang diamati di daerah terlihat atau UV sesuai dengan transisi " forbidden" dalam konfigurasi ionik tanah. Misalnya, garis 530.3 nm adalah karena 13 kali lipat besi terionisasi. Garis koronal merupakan teka-teki lama, yang diselesaikan dengan B. Edlen [6.202]
. Sebuah masalah yang sangat awal adalah identifikasi kuat. Ia menggariskan, pertama
dikaitkan dengan yang baru dan pada saat itu unsur yang tidak diketahui (dinamai Helios, Gr. untuk Matahari), kemudian ditemukan di laboratorium. Selalu ada interaksi yang sangat erat antara astrofisika dan fisika atom dalam hal mengidentifikasi.
Gambar 6.87 Interval kecil dari spektrum matahari di sekitar garis resonansi yang kuat
[6.200]
.
Gambar 6.88 Jumlah relatif unsur-unsur di bawah sinar matahari, seperti yang diperoleh dengan [6.201] menggunakan analisis spektral . Barisan atom yang sangat terionisasi pada musim gugur di wilayah UV ekstrim karena muatan inti yang kuat berlebih. Teleskop X-ray dan UV-pendek panjang gelombang telah ditempatkan pada satelit astronomi yang dikendalikan dari observatorium tanah. Contoh satelit astronomi seperti OSO (Orbiting Solar Observatory), Einstein, EXOSAT, IUE ( International Ultraviolet Explorer ) dan ROSAT sangat menarik
[6.205]
[6.203; 6.204]
. Eksplorasi langit di wilayah IR dari ruang juga
.
Hubble Space Telescope (HST) [6.206], yang merupakan ruang terbesar fasilitas astronomi sejauh ini, diluncurkan pada tahun 1990. Tingginya resolusi spektrometer echelle di papan HST telah memberikan spektrum VUV, misalnya bintang aneh dari kimia. Spektrum tersebut telah menunjukkan lebih-kelimpahan unsur tanah, emas, dan lain-lain dalam bintang-
3
5
bintang ini dengan faktor 10 -10 , relatif terhadap matahari. Sebuah spektrum perwakilan untuk bintang seperti (Chi Lupi) ditunjukkan pada gambar 6.89, dengan model spektrum dimasukkan sebagai kurva putus-putus
[6.207]
. Diperoleh dengan satelit IUE, juga termasuk dalam gambar.
Selain dibebaskan dari masalah penyerapan atmosfer (gambar 6.51; 6.52), HST juga, setelah misi pelayanan pada tahun 1993 untuk memperbaiki optik yang rusak, memberikan gambar yang sangat tajam, tidak kabur oleh turbulensi atmosfer. Sebenarnya, kamera HST " Deep Field " telah melihat lebih jauh ke alam semesta daripada teleskop lainnya (gambar 6.90).
Gambar 6.89 Spektrum bintang kimia aneh Chi Lupi, direkam dengan spektrometer echelle dari [6.207] Hubble Space Telescope . Sementara pengamatan astronomi, bumi selalu terganggu oleh penyerapan atmosfer, efek merugikan dari turbulensi dapat dikurangi dengan memilih teleskop dengan sangat baik "pantauan", yaitu, kondisi stabil atmosfer. Hal ini telah mengakibatkan pemilihan negara Chili tentang ketinggian lokasi gurun untuk European Southern Observatory (ESO) di La Silla dan baru Very Large Telescope (VLT) di Paranal.. Dalam spektral pemantauan ini dapat ditangani oleh pemindaian cepat atau deteksi paralel (diode-array), seperti yang dibahas untuk aplikasi
doas, misalnya (bagian 6.6.1). Namun, gambar akan menjadi kabur. Teknik optik adaptif, dimana cermin dapat berubah bentuk dengan aktuator untuk mengimbangi turbulensi
[6.209]
. Jika
ini tercapai, benda samar dan mungkin seperti galaksi jauh akan dapat direkam tajam. Karena bintang terang berada di sebagian besar wilayah langit, "pemandu laser bintang" yang dibentuk oleh sinar laser yang kuat mendorong natrium dan fluoresensi pada lapisan natrium mesospheric dapat digunakan sebagai pengganti (bagian 10.2.3).
Gambar 6.90 Hubble Space Telescope gambar " Deep Field " bagian paling jauh dari alam semesta diamati sejauh ini. Setiap gumpalan pada gambar adalah sebuah galaksi pada jarak mulai [6.208] 10 miliar tahun cahaya . Sekarang kita akan memberikan contoh lebih lanjut beberapa pengamatan yang menarik dalam spektrum astrofisika. Kadang-kadang garis bintang tertentu tampak lebih terang dari yang diharapkan, mengingat suhu, probabilitas transisi, rasio bercabang, dll fenomena tersebut dapat dijelaskan sebagai akibat kebetulan. Ini adalah apa yang disebut mekanisme Bowen
[6.210]
, dan
contoh terkenal adalah baris 313.4, 304.7 dan 344.4 nm di O III, dipompa oleh 30.38 garis Ly-α pada He II, dan baris 245.9, 249.2 dan 248.1 nm di Fe II, dipompa oleh rona 154.8 nm C IV. Baru-baru ini, bahkan penguat optik pada jalur Fe II sekitar 1,7 µm telah diamati di wilayah bintang Eta Carinae
[6.211]
, yang disebabkan oleh amplifikasi emisi spontan dalam ion awan. Dua
jalur Fe II sekitar 251 nm n m dipompa oleh hidrogen Ly-α Ly-α dalam mekanisme Bowen mekanisme Bowen.. (lihat gambar 6.91).
Gambar 6.91. Anomali terang garis fluoresensi Fe II di 250.6 dan 250.8 nm, diamati di lingkungan Eta lingkungan Eta Carinas. Carinas . Garis memakan dua negara berumur panjang, yang pembusukan dalam transisi penguat sekitar 1,7 µm. Sebagai referensi, spektrum bintang, dengan intensitas normal [6.211] garis Fe II, juga ditampilkan .
Gambar 6.92 Deret garis penyerapan sesuai dengan Balmer, tinggi seri transisi untuk bintang Canopus dan Canopus dan Sirius. Sirius. Garis penyerapan tajam lainnya karena transisi antara bagian-energi rendah dalam elemen yang berbeda ditampilkan ditumpangkan pada garis hidrogen. (Courtesy: (Courtesy: D. Dravins, Observatorium Lund ). ).
Penyebab Efek Doppler pengungsi garis spektrum dari benda-benda bergerak. Rotasi dari bintang sumbunya menyebabkan perluasan tambahan tamba han garis spektrum, seperti halnya turbulensi di atmosfer bintang. Sebuah analisis rinci tentang profil baris dapat dengan jelas menghasilkan informasi menarik tentang kondisi fisik objek. Dua spektrum anggota tinggi dari seri hidrogen Balmer (2s - np) direkam untuk kondisi eksperimental yang identik ditunjukkan pada gambar 6.92 untuk dua bintang terang Alpha Carinae (Canopus) Canopus) dan Alpha Canis Majoris (Sirius). Sirius). Tekanan gas jauh lebih tinggi pada bintang kerdil k erdil Sirius, Sirius, memperluas tingkat energi hidrogen paling atas, menyebabkan keluar dari garis Balmer. Dalam suasana tekanan rendah dari raksasa terang Canopus, Canopus, deret Balmer dapat diikuti sekitar n = 28, di 366.5 nm, sedangkan untuk Sirius tidak Sirius tidak dapat diidentifikasi di atas n = 18, sekitar 369 nm. Suhu dari dua bintang yang sangat mirip, dan rotasi hanya sebagian kecil diabaikan dari lebar garis Balmer garis Balmer . Galaksi jauh menunjukkan pergeseran merah besar. Pergeseran merah yang sangat besar yang diamati untuk quasar
[6.212]
. Pergeseran merah biasanya ditafsirkan dalam hal gerakan
radial. Kecepatan terbesar diamati melebihi 0.9 c. Pada Gambar 6.93 spektrum untuk Quasar dengan kecepatan 0.85 c ditampilkan. Hal ini dapat dilihat, misalnya, garis Lyman garis Lyman,, biasanya pada 121.6 nm, telah bergeser hingga 445.1 nm di wilayah spektral biru! Studi tentang benda-benda langit lainnya yang luar biasa telah didorong oleh terjadinya tiba-tiba supernova di Large Magellanic Cloud tahun 1987
[6.214]
. Itu adalah supernova pertama dalam 383 tahun yang bisa
dilihat dengan mata telanjang. Sebuah spektrum nova tercatat 7 hari setelah ledakan ditunjukkan pada gambar 6.94. Spektrum menunjukkan latar belakang kontinum dan ditumpangkan Balmer ditumpangkan Balmer baris a dan b. Garis hidrogen sangat diperluas karena kecepatan yang berbeda di shell di shell gas berkembang. Perhatikan bahwa kedua emisi dan garis penyerapan komponen terjadi. Dengan mempelajari penyerapan garis sempit pergerseran Doppler pergerseran Doppler dari dari Na dan Ca II dengan kontinum nova terang sebagai latar belakang telah memungkinkan untuk mengidentifikasi lebih dari 10 awan gas dingin yang bergerak pada kecepatan yang berbeda (lihat gambar insert ). ).
Gambar 6.93 Spektrum Quasar menunjukkan menunjukkan pergeseran Doppler pergeseran Doppler besar besar ). oleh Scientific American, Inc All rights reserved ).
[6.213]
. (Copyright 1982
Gambar 6.94 Spektrum supernova 1987 A di Large di Large Magellanic Cloud , tercatat 7 hari setelah ledakan. Garis menonjol adalah karena deret hidrogen Balmer , pergeseran doppler diperluas karena kecepatan ekspansi yang sangat tinggi (10000 km/s). Hal ini sebagian terlihat juga dalam emisi. Menunjukkan penyerapan garis sempit Na karena awan gas dingin bergerak dengan [6.215] kecepatan yang berbeda di sepanjang garis pandang .
Efek zeeman zeeman pada garis spektrum dapat digunakan untuk mengukur kekuatan medan magnet di wilayah pembentukan garis. Pola zeeman Pola zeeman yang yang jelas terjadi pada denda yang berasal dari bintik matahari, yang ditandai dengan medan magnet yang kuat. Studi tentang atmosfer planet telah menjadi bidang minat pada beberapa tahun terakhir. Pengamatan terestrial telah dilengkapi dengan rekaman dari pesawat ruang angkasa. Pada Gambar 6.95 rekaman IR terestrial dari CO2 di atmosfer Venus, menggambarkan peningkatan informasi kandungan dengan meningkatkan resolusi spektral. Sebagai contoh rekaman pesawat ruang angkasa, spektrum suasana salah satu bulan Saturnus, Titan, ditunjukkan pada gambar 6.96. Rekaman IR menunjukkan garis dari berbagai hidrokarbon. Pengetahuan kita tentang Jupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus telah jauh diperluas melalui misi Voyager
[6.217-6.219]
.
Pada kembalinya komet Halley komet Halley pada pada tahun 1986, manusia juga telah menjadi siap meluncurkan armada yang dilengkapi kendaraan ruang angkasa ilmiah ke arah itu, termasuk Giotto Eropa Giotto Eropa dan Soviet Vega sondes
[6.220]
3
. Sebuah komet inti berukuran 16 x 8 x 8 km bisa difoto menggunakan
kamera multi-warna Giotto. Giotto. Sebuah rekaman fotografi terestrial spektrum komet Halley, komet Halley, setelah setelah berlalunya perihelium yang ditunjukkan pada gambar 6.97. Dengan menggunakan celah spektrometer panjang, pencitraan jarak 105 km dari inti (bawah) melalui ekor komet, kekuatan emisi melalui struktur komet bisa dicatat.
Gambar 6.95 Rekaman terestrial dari CO2 di atmosfer Venus menggambarkan perbaikan terus[6.216] menerus dari resolusi spektral yang tersedia .
