LF4 - Photometrie und Chromatographie (Fach) / Photometrie (Lektion)

Lichtabsorption, Typen und Bestandteile eines Photometers, Optische Gesetze, Lichtquellen

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• Was ist Licht? In welchem Bereich ist das Licht sichtbar? Welche Lichtspektren folgen aufeinander (von groß nach klein)? Licht = elektromagnetische Strahlungsichtbares Licht: 386-785 nmWechselstrom, Rundfunk, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, UV, Röntgen- und Gammastrahlung, kosmische Höhenstrahlung
• Was besagt das Jablonski-Term-Schema? besagt, dass Moleküle, die durch ein Photon angeregt werden rotieren, schwingen oder die Elektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben werden können
• Warum können Moleküle Licht absorbieren? Welche Bindungen sind für die Absorption verantwortlich? Wann erscheint ein Gegenstand farbig? - Moleküle absorbieren wegen ihren Elektronen Licht- v.a. σ- und π-Bindungen absorbieren Licht- je mehr π-Bindungen, desto mehr verschiebt sich Absorptionsbereich in sichtbaren Bereich- v.a. konjugierte Doppelbindungen verschieben Absorptionsbereich- Gegenstand ist farbig, wenn nicht alle Wellenlängen gleichzeitig absorbiert werden -> ein farbiger Gegenstand absorbiert immer den Wellenlängenbereich seiner Komplementärfarbe
• Was besagt das Labert-Beersche-Gesetz? Wie kann dadurch die Absorption berechnet werden? Welche Einheiten haben die einzelnen Komponenten? - Extinktion ist proportional zur gemessenen Absorptionsintensität bei bestimmten Wellenlängen der durchstrahlten Schichtdicke und der molaren Konzentration eines Stoffes- gilt nur für monochromatisches Licht und ideal verdünnte Probe- Extinktion ändert sich linear zur Konzentration, da der Lichtstrahl bei verdoppelter Konzentration und gleich bleibender Schihtdicke auch auf doppelt so viele Teilchen trifftA = ε * c * dA hat keine Einheitε -> [L/(cm*mol)]c -> [mol/L]d -> [cm]
• Was ist die Transmission? Wie kann sie berechnet werden? Wie kann die Absorption A berechnet werden? Transmission = Lichtmenge, die nach der Durchquerung des Lichts durch einen Stoff noch beim Detektor ankommtT = I/I0A = log 1/T = log I0/I
• Welche Anforderungen müssen Küvetten für photometrische Messungen erfüllen? - bestimmte Transparenz- soll Licht nicht streuen, abweisen oder absorbieren- genau definierte Schichtdicke- müssen dem zu messenden Wellenlängenbereich angepasst sein  -> Glas: 360-1400 nm  -> optisches Glas: 320-1400 nm  -> Quarzglas: 190-2600 nm  -> wasserfreies Quarzglas: 170-3500 nm
• Welche Fehlerquellen haben Küvetten? - Streuung/ Absorption des Messstrahls- Verunreinigung oder Kratzer im Fensterglas- Flüssigkeitsrückstände verunreinigen die Küvette- Fingerabdrücke in den Fenstern- Wahl der richtigen Küvette je nach Verwendungdzweck und Spektralbereich
• Was sind Strahlungsmessgeräte? wandeln Strahlung in elektrische Signale um
• Was versteht man unter dem, äußeren Photoeffekt? Wie funktioniert ein Photomuliplier? - bei Bestrahlung von Oberflächen eines Festkörpers mit Licht, treten Elektronen aus- trifft ein Photon auf eine Kathode, werden Elektronen frei -> werden von positiver Anode angezogen -> PhotostromPhotomultiplier:- 1 Photon erzeugt immer 1 Elektron- Elektronen von positiver Hilfsanode angezogen -> setzt bei Auftreten mehr Sekundärelektronen frei- Anziehung durch stärke Hilfsanode -> Freisetzung von Elektronen- Elektronenzahl nimmt kaskadenartig zu -> Verstärkung-> Messung von kleinsten Bestrahlungsstärken sind möglich-> Verstärkungsfaktor steigt exponentiell mit Anzahl der Hilfsanoden und Anzahl der Sekundärelektronen proportional zur Anzahl der Photonen
• Was versteht man unter einem inneren Photoeffekt? - bei Bestrahlung eines Festkörpers verlassen Elektronen im Innern ihre Bindung und stehen dann als Leitungselektronen zur Verfügung
• Was sind die Eigenschaften eines Einstrahlphotometers? - hat nur einen Messstrahl- es muss eine zweite Messung mit einer Blindprobe gemacht werden- Genauigkeit abhängig bon der Leuchtkraft der Lampe, Empfindlichkeit des Detektors und der Messtemperatur
• Was sind die Eigenschaften eines Zweistrahlphotometers? - mit Hilfe eines Spiegels wird ein Referenzstrahl erzeugt -> dort kann Referenzprobe gemessen werden- zu messende Probe wird in Messstrahl gestellt- Egebnisse sind sofort miteinander verrechnet  --> nur eine Messung nötig
• Was sind die Eigenschaften eines Filterphotometers? - einfache Handhabung, kein Spalt nötig, preisgünstig, nur eine Lampe nötig- ist meist auf eine Wellenlänge beschränkt- kein streng monochromatisches Licht- für immer gleich bleibende Messungen
• Was sind die Eigenschaften eines Spektralphotometers? - breiter Einsatzbereich- nahezu monochromatisches Licht- es sind zwei Lampen nötig -> sehr teuer- für Messungen bei vielen unterschiedlichen Wellenlängen
• Was sind die Eigenschaften eines Multikanalphotometers? - gleichzeitige Messung bei allen Wellenlängen möglich- schnelle Erstellung von Absorptionsspektren- Auflösung des Spektrums durch Anzahl der Dioden begrenzt- für häufige Bestimmung von Absorptionsspektren
• Was besagt das Reflexionsgesetz? Was versteht man unter: einfallender Strahl, reflektierter Strahl, Einfallsloth, Einfallsebene, Einfallswinkel und Reflexionswinkel? Was passiert bei rauen Oberflächen? Einfallswinkel = Reflexionswinkel-> gilt auch bei rauen Oberflächen, allerdings wird dort das Licht in alle möglichen Richtungen reflektierteinfallender Strahl = Lichtstrathl, der auf die Oberfläche trifftreflektierter Strahl = Lichtstrahl, der von Oberfläche zurückgeworfen wirdEinfallsloth = Orthogonale zur Oberfläche, an der sich einfallender und reflektierter Strahl treffenEinfallsebene = Ebene, in der einfallender und reflektierter Strahl liegenEinfallswinkel α = Winkel zw. einfallendem Strahl und EinfallslothReflexionswnkel α' = Winkel zw. reflektiertem Strahl und Einfallsloth
• Was versteht man unter Refraktion? Wie verhält sich der Strahl beim Übergang vom dünneren ins dichtere Medium und umgekehrt? - je nach Medium hat das Licht eine andere Lichtgeschwindigkeit- beim Durchtritt des Lichtstrahls von einem Medium ins andere, wird dieser gebrochen- einfallender Winkel, Reflexionswinkel und gebrochener Strahl liegen in einer Ebene     sinα/sinβ = n2/n1         n = Brechungsindex, β = Winkel des gebrochenen Strahls- n ist in flüssigem Medium temperatur-, wellenlängen- und konzentrationsabhängig- Strahl geht von dünn nach dicht -> Brechung zum Loth hin- Strahl geht von dicht nach dünn -> Brechung vom Loth weg
• Was ist die Totalreflexion und wann findet sie statt? Wie wird der Grenzeinfallswinkel berechnet? Strahl wird komplett reflektiert und nicht gebrochen- wenn sinα = 1, also bei α=90°Grenzeinfallswinkel: sinαGr = n2/n1                                 für α1 = 90° --> sinαGr = n1/n2
• Was versteht man unter Dispersion? Von was ist sie abhängig? Wie wird die Lichtgeschwindigkeit berechnet? Dispersion = Farbzerlegung/spektrale Zerlegung des Lichts - abhängig vom Brechungsindex- je kleiner die Wellenlänge, umso geringer die LichtgeschwindigkeitLichtgeschwindigkeit c:c = λ * f
• Was versteht man unter Interferenz? Wann findet sie statt? Was ist kostruktive bzw. destruktive Interferenz? Inteferenz = Überlappung von zwei oder mehr Wellen- Wellen zweier verschiedener Schwingungen müssen die gleiche Frequenz haben- Amplitudeb der Wellen addieren sich -> es entsteht neue Welle mit gleicher Frequenzkonstruktive Interferenz:- Wellenberg trifft auf Wellenberg und Wellental auf Wellental-> doppelt so große Amplituden (wenn beide die gleiche Höhe hatten)destruktive Interferenz:- Wellenberg trifft auf Wellental-> Amplitude kleiner als die der ursprünglichen-> haben beide gleich hohe Amplitude, löschen sie sich gegenseitig aus
• Wie ist ein Photometer aufgebaut? Lichtquelle -> Spaltblende -> Prisma -> Spaltblende -> Probeneinsatz -> Spaltblende -> Detektor
• Was ist VIS-Licht? Was sind kontinuierliche bzw. diskontinuierliche Spektren? Welche diskontinuierlichen Spektren gibt es? VIS-Licht = 380 nm- 780 nmkontinuierliches Spektrum: enthält alle Wellenlängen eines Wellenlängenbereichsdiskontinuierliches Spektrum: enthält nur bestimmte Wellenlängen- Emissionsspektrum: aus Linien (eine Spektrallinie) oder Banden (zusammenhängende Spektrallinien)- Linienspektrum: Lichtquelle emittiert nur Licht mit diskreter Wellenlänge -> monochromatisch- Bandenspektrum: Lichtquelle emittiert Vielzahl an ähnlichen Wellenlängen- Absorptionsspektrum:um Höhe des Energieniveaus festzustellen; durch Vergleich mit bekannten Energieniveaus, kann Substanz identifiziert werdenUV/VIS.Spektroskopie: Wellenlängen von 200-800 nm ausgestrahlt -> durch Energieabsorption kann Bindungsverhältnis im Molekül bestimmt werden
• Was sind Lichtquellen? Was ist der Unterschied zwischen Verbrennungslampen und elektrischen Lampen? Nenne 5 Lichtquellen und ihre Funktionsweise. Allgemein:- Körper, die selbstständig sichtbare Strahlung aussenden- Kennzeichen: spektrale verteilung der Strahlung- Verbrennungslampen setzten chemische Energie in Licht um- eleektrische Lampen erzeuchen Licht durch Umsetzung elektrischer EnergieGlühbirne:- elektrischer Leiter durch Strom erhitzt, bis er glüht -> strahlt kontinuierliches Licht aus- sind mir Gas gefüllt (Argon oder Stickstoff)Halogenlampe:- Glühlampe, die zusätzlich Halogen enthält- Halogen bindet Atome, die bei Lichterzeugung frei werden -> verhindert dass sie sich auf der innenseite der Birne niederschlagen -> Atome können sich wieder an Draht anlagern- kontinuierliches LichtspektrumLED:- Strom fließt durch Diode -> strahlt Licht aus- kontinuierliches Lichtspektrum -> haben je nach Wellenlänge stärkere oder schwächere IntensitätQuecksilberdampflampe:- Lichterzeugung durch Gasentladung- kontinuierliches Lichtspektrum im UV-BereichDeuteriumlampe:- Spektren von 160-400 nm- Elektronen regen Deuterium an Licht zu emittieren
• Was ist monochromatisches Licht? Was ist ein Monochromator? monochromatisches Licht = Licht einer bestimmten WellenlängeMonochromator :- optisches Gerät, das Strahlen nach ihrer Wellenlänge aufspaltet- absorbieren den unerwünschten Stahlungsbereich
• Nenne und beschreibe zwei Monochromatoren. Gittermonochromator:- polychromatisches Licht tritt durch Eingangsspalt -> fällt auf kokaven Spiegel- Erzeugung eies Parallelstrahls -> treffen auf Gitter- Zerlegung der Strahlen in einzelne Wellenlängen durch Beugung- Zweiter konkaver Spiegel bündelt zerlegtes Licht- Stellung des Gitters bestimmt die Wellenlänge, die durch den Ausgangsspalt tritt-> Lichterzeugung über gesamten Wellenlängenbereich konstant-> hohe Auflösung durch bessere WellenlängenseparationPrismenmonochromator:- polychromatisches Licht trifft auf Prisma -> kurzwellige Strahlen stärker gebrochen als langwellige -> Licht tritt je nach Wellenlänge in unterschiedlichen Winkeln wieder aus- Prismen aus Glas oder Steinsalz- sind lichtstärker als Gittermonochromatoren- Lichterzeugung nicht über gesamten Wellenlängenbereich konstant

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