ALGUMAS APLICAÇÕES DA
ESPECTROSCOPIA ÓPTICA
Maria José V. Bell, DF-UFJF
XV Semana de Física - UFJF
Outubro/2004
Índice
• O que é espectroscopia óptica
• Radiação UV-VIS-IR
• Elementos básicos experimentais
•Técnicas experimentais e exemplos de aplicações
• Absorção, transmissão,
• Absorção infravermelha
Ondas Eletromagnéticas
E=hc/l
Espectro Eletromagnético
Radiação UV-Vis-IR
Espectroscopia Óptica


Consiste na interação de radiação (na faixa do UV,
Vis e IR) com a matéria (sólido, líquido ou gás).
Esta interação pode ocorrer via absorção,
espalhamento, emissão ou reflexão da luz
incidente.
IR
IT
Io
IE
Io: Intensidade Incidente
IR: Intensidade Refletida
IT: Intensidade Transmitida
IE: Intensidade Espalhada
Amostra
Io=IT+IR+IE+IA
Intensidade
Absorvida
Elementos básicos:
• Fontes de luz: laseres e lâmpadas
• Elemento dispersor: grade de difração ou prisma
• Detector: fotodiodo, fotomultiplicadora, CCD
• Amostra: sólido, líquido ou gás.
Laser
Fontes de luz
Lâmpadas: Espectro contínuo
Emissão de
Corpo Negro
Lei de Planck
Laseres:Gasosos, de Estado
Sólido e líquidos (Dye lasers)
1. Gasosos: He-Ne,
Argônio (Ar+),
Kriptônio, He-Cd, N2,
CO2, etc.
2. De Estado sólido:
Laseres de diodo,
Ti:Safira, Nd:YAG,
etc.
3. Líquidos: corantes,
desde o UV até o
infravermelho, com
variação contínua,
mudando o corante.
O Elemento Dispersivo:Monocromador
sena + senb = mDl
b
a
N
Poder de resolução da
rede:
l/Dl=mN
Fotodiodos
E
p
Eg
Faixa de sensibilidade
Detector
( m)
Si
0.2 - 1.1
Ge
0.4 - 1.8
InAs
1.0 - 3.8
InSb
1.0 - 7.0
InSb (77K)
1.0 - 5.6
HgCdTe (77K)
1.0 -25.0
n
V
p
E
p
n V-DV
p
Fotomultiplicadora
Faixa de operação:
110-1100 nm
Eficiência Quântica:
1-10%
Tempo de resposta:
1-20 ns
CCD- Charge Coupled Device
Características:
1) 1024 ou 2048 pixels




1
2
3
4
5
(b )
2) Eficiência quântica
de ~60%
3) Alta sensibilidade
4) Tamanho:



~ 25 mm
2
1
1
2
3
4
5
(c )
Tipos de Amostras:
1) Sólidos
Eg > 5eV
Eg < 1eV
Eg entre ~1eV
e
5eV
BC
BC
Eg
BC
Eg
Eg
BV
BV
BV
Isolante
Metal
E=hc/l
Semicondutor
2) Moléculas (diatômicas)
R
Níveis Eletrônicos
Níveis vibracionais
Átomo de Bohr
Absorção e Emissão
Faixas de Energias da
Espectroscopia óptica
Níveis
Eletrônicos
~1eV
UV-VIS
Níveis Vibracionais
~10 - 100meV
IR
Níveis Rotacionais
< 10 meV
TÉCNICA DE ABSORÇÃO E REFLETÂNCIA
IT
Absorbância (A): A=logIo/IT
IO
R=IR/Io
Refletância R: =IR/Io
Transmitância (T): T=IT/Io
Lei de Beer: IT(l)=Io(l)e-a(l)L
a=A/(Llog(e))
L
IR
Absorção Infravermelha
n2,4
Transmissão
n3
Número de Onda (=1/l ) (cm-1)
Algumas bandas de absorção típicas
Aplicação 1: Gases na atmosfera
Intensidade (W/m2mm)
Emissão solar
Comprimento de onda ( mm)
Porcentagem de energia absorvida
Refletância (%)
Aplicação 2: Sensoriamento remoto
Sensoriamento remoto
Refletância
Canal 2
Canal 3
Canal 1
Canal 1: 0.6 mm
Fonte:
EUMETSAT
Comparação da refletância do solo nos 3 canais
Canal 2: 0.8 mm
Comparação da refletância das folhas nos 3 canais
Canal 3: 1.6 mm
Superfície da Terra
Em 0.8 mm há uma melhor
definição entre estruturas de
superfície devido à alta
refletância do solo e das
folhas.
Canal 1: 0.6 mm
Canal 2: 0.8 mm
0.6 mm
0.8mm
Comprimento de onda (mm)
Refletividade do Gelo/neve e Núvens em 1.6 mm
0.6
0.8
1.6
Núvens: alta refletividade
Gelo/neve:baixa refletividade
Fonte: EUMETSAT
• Núvens de água e núvens de gelo
Gelo/neve
Núvem
Superfície Lunar –dados da Apolo 14
Transmissão
do
leite
1.0
Transmitância
0.9
Marca A: Parmalat
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
Leite Semi Desnatado Marca A
Leite Desnatado Marca A
Leite Integral Marca A
0.2
0.1
0.0
450
500
550
600
650
700
Comprimento de onda (nm)
Coeficiente de absorção a (cm-1)
Absorção de Água Líquida