분광기의기초 : 이론 과학발전을돕습니다 (BUILDING BETTER SCIENCE) 여러분과함께하는애질런트 2016년 3월 7일 1
애질런트테크놀로지스는교육기관지원의일환으로자사교육자료를제공합니다. 교육목적으로자사교육자료를무상지원하고있습니다. 본슬라이드는애질런트가으로제작하였습니다. 교육이외의용도로사진, 스케치또는그림을사용하려면먼저애질런트에문의하시기바랍니다. 2016년 3월 7일 2
소개 분광기는물질과전자기방사선사이의상호작용에대한연구입니다. 역사적으로, 분광기는프리즘을통해분리된가시광선에대한연구에서출발했습니다. 나중에이개념은방사에너지와상호작용을파장또는진동수의함수로서구성하는것으로크게확장되었습니다. 분광데이터는흔히관심항목에대한파장또는진동수의감응함수값으로나타냅니다. 스펙트럼 ( 라틴어 ): 환영 Skopos ( 그리스어 ): 관찰자 분광학자 = 환영관찰자 3
역사적배경 광스펙트럼의초기역사 1666 가시스펙트럼의관찰 1802 Fraunhofer 흡수라인 Kirchhoff 및 Bunsen 의방출실험 Kirchhoff 및 Bunsen 의흡광실험 정의 Milton 스펙트럼 분광학및분광기 전자기스펙트럼 빛 주요파라미터 파장및진동수 흡수및방출 빛의흡수대에너지준위 원자스펙트럼의특징 흡광도및투과도 흡광도 : 농도관계 Beer-Bouguer-Lambert 법칙 4
역사적배경광스펙트럼의초기역사 1666 1802 1812 1853 1859 1868 1882 Sir Isaac Newton 태양스펙트럼발견 William Hyde Wollaston 태양스펙트럼에서암흑선식별 Joseph von Fraunhofer 분광기를사용해해당암흑선연구 August Beer 빛의흡수와농도사이의관계이해 Gustav Kirchhoff 및 Robert Bunsen 원소들의불꽃실험을통한서로다른색상관찰 Anders J. Angstrom 약 1,000 개의 Fraunhofer 선에대한파장측정 Abney & Festing 50 개이상의화합물에대해적외선흡수스펙트럼획득 5
역사적배경 1666 가시스펙트럼의관찰 Sir Isaac Newton 실험 Sir Isaac Newton,1642-1726 영국물리학자겸수학자출처 : 위키피디아 6
역사적배경 1802 Fraunhofer 흡수선 Wollaston 및 Fraunhofer 는독립적으로연구하여태양스펙트럼에서암흑선을발견합니다. Fraunhofer 는더나은스펙트럼분해능을얻는회절격자를소개합니다. Fraunhofer 는암흑선은대기가태양자체의빛을흡수하기때문이라고제안합니다. 사진 1: Joseph von Fraunhofer, 1787-1826, 독일안경사출처 : 위키피디아 사진 2: William Hyde Wollaston, 1766-1828, 영국화학자출처 : 위키피디아 자세한사항은슬라이드노 7
역사적배경 Kirchhoff 및 Bunsen 의방출실험 Robert Bunsen(1811-1899) 독일화학자출처 : 위키피디아 Gustav Robert Kirchhoff (1825-1887) 독일물리학자출처 : 위키피디아 Kirchhoff 및 Bunsen 은불꽃실험을통해여러원소의다른색상을관찰했습니다. 8
역사적배경 Kirchhoff 및 Bunsen 의흡광실험 Kirchhoff 와 Bunsen 은광원에서나오는빛을불꽃에가열된염에통과시켜서 Fraunhofer 흡수선을얻었습니다. 9
정의 Milton 스펙트럼 Milton 스펙트럼다이어그램은유형, 파장 ( 예제와함께 ), 진동수및흑체방출온도를보여줍니다. 출처 : 위키피디아 NASA 이미지인 EM_Spectrum3-new.jpg 에서각색 10
정의 분광학전자기스펙트럼의서로다른영역에서다른파장의빛과시료의상호작용을측정 분광기분광소자에의해스펙트럼으로분해된빛을이용해광스펙트럼영역에서상대값을측정하는기기 이렇게측정된파장함수의시그널은스펙트럼에집합이되며, 여기에서 분광학 이란용어가나왔습니다. λ I 0 I 광원 단색화장치 시료 빛검출기 11
정의전자기스펙트럼 전자기스펙트럼은매우넓은영역의진동수와파장을포함합니다. 스펙트럼영역의이름은단순히역사적사실에기반을둡니다. 한영역에서다음영역으로이동할때, 비약적이나기본적인변화는없습니다. 가시광선영역은전자기스펙트럼의아주작은일부분입니다. 전자기스펙트럼 12
정의빛 빛은두가지형태로설명할수있습니다. 파장과진동수로서웨이브성질의용어로사용됩니다. 입자같은특성광자라부르는에너지패킷으로표현됩니다. 이러한용어는전자기스펙트럼영역에서유효하며일반적으로 빛 ( 가시광선, 자외선및적외선 ) 이라고간주되는것으로제한하지않습니다. 빛은본질적으로진동하는전기 (E) 와자기 (M) 장으로이루어져웨이브처럼간주됩니다. 이두개의파장은서로직각을이루며, 주어진매질에서일정속도로이동합니다. 진공상태에서이속도는 3 10 8 ms -1 입니다. 13
주요파라미터파장및진동수 전자기방사선과관련된에너지는다음과같이정의할수있습니다. 주의 : 분광학에서파장은일반적으로마이크로미터, 나노미터또는파수 (1/λ; 역센티미터 ) 로표현됩니다. E = h ν 진동수는다음과같이파장과관련되어있습니다. ν = c λ E h 에너지 (J) Planck 상수 (6.62 10-34 Js) ν 진동수 (s -1 ) c 빛의속도 (3 10 8 ms -1 ) λ 파장 (m) 14
주요파라미터흡수및방출 물질과전자기방사선의상호작용은넓게다음과같이분류될수있습니다. 흡수과정 : 광원으로부터방출된전자기장이시료에흡수되고검출기에도달하는방사에너지의감소가일어나는과정입니다. 방출과정 : 전자기방사선이시료에서나와검출기에도달하는방사에너지가증가하는과정입니다. 15
주요파라미터흡수및방출 흡수와방출과정은서로다른에너지준위또는상태로전이과정을포함하고있습니다. 전이가발생할때입사광자가두상태사이의에너지차이와같은에너지를가져야합니다. 이경우에에너지가흡수되고들뜬상태로전이가발생할수있습니다. 그러한전이는다음과같은변화가수반될수있습니다 전자에너지 진동에너지 회전에너지 E 전자 > E 진동 > E 회전 핵에너지준위의변화는매우높은에너지로관찰될수있지만 (γ 선 ), 핵회절상태의변화는훨씬낮은에너지에서관찰될수있습니다 ( 마이크로파및라디오파 ). 16
주요파라미터흡수및방출 이그림은포름알데히드에서전자전이와이를일으키는빛의파장을보여줍니다. 이러한전이로인해흡수하는종의에너지준위에매우특징적인차이를가지는파장에서매우좁은흡광도밴드가발생합니다. 포름알데히드에서전자전이 17
주요파라미터흡수및방출 오른쪽그림에서전자에너지준위에겹쳐진진동및회전에너지준위를볼수있습니다. 서로다른에너지를가지는많은전이가발생할수있기때문에밴드가넓어집니다. 밴드가넓어지는현상은용매 - 용질상호작용으로인해용액에서더커집니다. 분자에서전자전이와 UV-visible 스펙트럼 18
주요파라미터흡수및방출 오른쪽그림은원자에서전자전이의예를보여줍니다. 이러한전이로인해흡수하는종의에너지준위에매우특징적인차이를가지는파장에서매우좁은흡광도밴드가발생합니다. 원자로부터각흡수 / 방출에너지에대해고유의파장이존재합니다. 원자에서전자전이와스펙트럼 19
주요파라미터흡수및방출 원자들은서로다른양의에너지를흡수할수있습니다 : 가열 서로다른파장의빛 전자가에너지준위를변경할수있습니다 : 에너지준위변화 = 흡수된빛의에너지 원자가 들뜸 전자가더높은에너지준위로이동 : E 1, E 2,... E n 납 (Pb) 의에너지준위다이어그램 20
주요파라미터빛의흡수대에너지준위 빛의파장 (λ) 은에너지준위사이의간격에역비례합니다. c E 각전이는서로다른간격과에너지를가지며이에따라파장도다릅니다. 원자도방출선을가집니다. 들뜸원자가바닥상태로이완되어방출된빛으로에너지를표출합니다. 흡수와동일한에너지 흡수와동일한파장 λ ( 더넓은간격 = 더짧은파장 ) = 21
주요파라미터원자스펙트럼의특징 선명한피크 (UV-Vis 의넓은피크에비해 ) 가장뚜렷한선은바닥상태로부터기인함 공명선 : 가장강렬한선 원자흡수와가장큰관계 하나의들뜸상태에서다른상태로발생가능 비공명선 : 약한선 일반적으로원자흡수에는유용하지않음 22
주요파라미터흡광도및투과도 방사선이물질과상호작용할때수많은과정이일어날수있습니다 : 흡광도 반사 산란 형광 / 인광 광화학반응 빛이시료를통과하거나시료에서반사될때흡수된빛의양은입사방사선 (Io) 대투과된방사선 (I) 의비율과같습니다. I I T = T = 100 I 0 I 0 ( 투과도 ) A = log10 ( 흡광도 ) T 23
주요파라미터흡광도 / 농도관계 Lambert 의법칙 투명매질에의해흡수된빛의양은입사광의강도와무관합니다 각각의연속적인매질두께단위는매질을통과하는빛의동일한부분을흡수합니다 Beer 의법칙 빛흡수는시료의흡수종수에비례합니다 24
UV-Vis 분광기 Beer-Bouguer-Lambert 법칙 흡광도는 Beer-Bouguer-Lambert 법칙에따라농도에관련됩니다. 흡광도는시료와의상호작용및 / 또는반사및산란으로인한손실에기인할수있습니다. A = log 10 T = ε b c ε 흡광계수또는몰흡광도 (Lmol -1 cm -1 ) b 투과경로길이 (cm) c 농도 검량선의예검량은 A 를 c 의변화에따라측정하여이루어집니다. 출처 : UV-visible 분광기의기초이론자세한사항은슬라이드노트를참조하십시오 25
약어 약어 A AAS AES b 정의 흡광도 원자흡수분광기 원자방출분광기 경로길이 (cm) c 빛의속도 (3 10 8 ms -1 ) ε E E h I I 0 흡광계수또는몰흡광도 (Lmol -1 cm -1 ) 진동전계 에너지 Planck 상수 (6.62 10-34 Js) 투과방사 입사방사 약어 ICP-OES ICP-MS λ M MP-AES T 정의 유도결합플라즈마 원자분광기 유도결합플라즈마 원자질량분석기 파장 진동자기장 마이크로웨이브플라즈마원자방출분광기 투과율 v 진동수 (s -1 ) XRF XRD X-ray 형광 X-ray 회절 26
추가정보 애질런트제품에대한자세한정보를확인하시려면 www.agilent.com 또는 www.agilent.com/chem/academia 를방문하시기바랍니다. 이프레젠테이션에관한질문이나제안은 academia.team@agilent.com 으로보내주십시오. 발행물 제목 발행번호 입문서 Contract Environmental Laboratory에서원자분광기응용분야 5991-5326KO 입문서 UV-visible 분광기의기초이론 5980-1397KO 브로셔 원자분광기포트폴리오브로셔 5990-6443KO 웹사이트 동영상 이미지 CHROMacademy 학생과대학교직원들을위한온라인수업을무료로제공 www.agilent.com/chem/teachingresources www.agilent.com/chem/teachingresources 27
감사합니다 발행물번호 5991-6594KO 2016년 3월 7일 28