Rozmycie pasma spektralnego - BIOL

Rozmycie pasma spektralnego
Rozmycie pasma spektralnego
Z doświadczenia wiemy, że absorpcja lub emisja
promieniowania przez badaną substancję występuje nie
tylko przy częstości rezonansowej, tj. częstości
odpowiadającej różnicy energii poziomów
kwantowych, lecz również przy częstościach jej
bliskich. Rozmycie pasma jest konsekwencją:
 niedoskonałości aparatury pomiarowej oraz
 konsekwencją pewnych praw fizyki
Niedoskonałości aparatury
pomiarowej
• Niepełna monochromatyzacja promieniowania
• Skończona szerokość szczelin wejściowych i
wyjściowych
• Niejednorodność pola magnetycznego w
metodzie NMR
Niezależne od aparatury przyczyny
rozmycia pasma spektralnego
•
•
•
•
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Efekt Dopplera
Efekt Lorentza
Oddziaływania międzycząsteczkowe
Zasada nieoznaczoności
Heisenberga
Czas życia cząsteczki na danym poziomie energetycznym i rozmycie energii
tego poziomu spełnia zależność
E  ~ 1034 J  s
Równanie to ilustruje sytuację, że stan n posiada dokładnie określoną energię tylko
wtedy gdy  jest nieskończony. Skoro to nigdy nie ma miejsca to wszystkie poziomy
energetyczne są rozmyte na pewną rozciągłość co w rezultacie daje poszerzenie linii.
Np. Gdy czas życia stanu wynosi
t  108 s
to
E  1026 J  0.0005 cm1
Naturalne poszerzenie linii jest bardzo małe w porównaniu z wkładem
pochodzącym od innych przyczyn
Odkrycie efektu Dopplera
• Christian Doppler jako pierwszy w 1842 r. zaproponował wyjaśnienie
występowania efektu polegającego na okresowej zmianie koloru światła
gwiazd w układzie podwójnym jako skutek ich ruchu kołowego.
• Naukowe badanie efektu po raz pierwszy przeprowadził Christoph
Ballot w 1845 r. Poprosił on grupę muzyków (trębaczy), aby wsiedli do
pociągu i grali jeden ton. Słuchał go i zaobserwował, że dźwięk
instrumentów staje się wyższy, kiedy pociąg zbliża się do niego. Gdy
źródło muzyki się oddala, jego ton staje się niższy. Zmiana wysokości
dźwięku była dokładnie taka, jak wyliczył uprzednio Doppler.
• Niezależnie od Dopplera podobny efekt został zaobserwowany w 1848 r.
przez Armanda Fizeau dla fal elektromagnetycznych.
Efekt Dopplera
Atomy i cząsteczki poruszając się chaotycznie w fazie
objętościowej emitują w kierunku obserwatora (detektora) lub
absorbują z danego kierunku promieniowanie o częstości
innej niż częstość wynikająca z różnicy energii poziomów.
Jest to efekt analogiczny do znanej z akustyki zmiany
częstości dźwięku wysyłanego przez ruchomy obiekt
Obiekty nieruchome
Długość fali
1
2
3
Obaj obserwatorzy
widzą jednakowe
długości fal
Źródło poruszające się w kierunku
obserwatora po lewej stronie
1
2
3
3
Rejestruje
krótsze fale
2
1
Rejestruje
dłuższe fale
Efekt Dopplera
• Idea zjawiska jest następująca:
– Źródło emituje EM promieniowanie o określonej
długości (l)
– Obserwator widzi długość lobs
• Efekt Doppler’a “mówi”
lobs < l jeśli źródło porusza się do obserwatora
lobs > l jeśli źródło porusza się od obserwatora
Efekt Dopplera
Zależność Doppler’a : wersja dla
światła
Jeżeli źródło emituje EM promieniowanie o długości l,
to widoczna zmiana w długości obserwowanej
(lobs - l), wynosi:
(lobs - l) / l = v/c
v - prędkością względną w kierunku obserwatora
c - prędkość światła
Efekt Dopplera
Dla promieniowania EM (e.g., promieni świetlnych)
Ruch do  obserwujemy krótsze fale (przesunięcie do błękitu)
  
 a   1  a 
c 

1
Ruch od  obserwujemy dłuższe fale (przesunięcie do czerwieni)
  
 a   1  a 
c 

1
 a średnia prędkość poruszania się atomów
 a częstość obserwowana
 częstość odpowiadająca różnicy poziomów energetycznych
Efekt Dopplera
Bezładny ruch translacyjny cząsteczek powoduje rozmycie poziomów
Gdy cząsteczka porusza się w stronę detektora  wzrasta, l maleje
Gdy cząsteczka oddala się od detektora  maleje, l wzrasta
Przykładowe zastosowania
Zmiana barwy światła pochodzącego z
oddalających się galaktyk
Efekt Lorentza
(poszerzenie ciśnieniowe)
Wzrost ciśnienia i temperatury powoduje zderzenia
cząsteczek co skraca czas życia stanu wzbudzonego.
Zderzenia w fazie objętościowej powodują deformację
powłok elektronowych i w konsekwencji niewielką
zmianę energii poziomów oraz skrócenie czasu życia
poziomu wzbudzonego
   2 
1
 czas pomiędzy zderzeniami