Bài giảng Quang học kỹ thuật và ứng dụng - Chương 1: Tổng quan về môn học - Phạm Thị Hải Miền

QUANG HỌC KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG
TS. Phạm Thị Hải Miền
Bộ môn Vật lý Ứng dụng
Đại học Bách Khoa TP.HCM
2TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Từ Văn Mặc: Phân Tích Hoá Lý Phương Pháp Phổ
Nghiệm Nghiên Cứu Cấu Trúc Phân Tử, NXB KHKT,
2003.
[2] Vo Dinh Tuan: Biomedical Photonics Handbook, CRC
Press, 2003.
TỔNG QUAN VỀ MÔN HỌC
 Tổng quan bản chất bức xạ điện từ.
 Tương tác sóng điện từ với môi trường vật chất. 
 Các kỹ thuật quang học (UV-VIS, hồng ngoại, 
Raman, phân cực, vật liệu nano, sắc ký) và ứng
dụng.
3
THANG SÓNG ĐIỆN TỪ
5BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (SÓNG PHÂN CỰC PHẲNG)
6CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
 Bước sóng λ - quãng đường mà sóng đi được sau mỗi dao 
động đầy đủ (m).
 Chu kì T - thời gian ngắn nhất truyền một bước sóng qua một
điểm trong không gian (s).
 Tần số ν - số dao động trong một giây (Hz).
 Số sóng - nghịch đảo của bước sóng (cm-1).
 Năng lượng photon:
• h = 6,626.10-34 J.s là hằng số Planck.
• Đơn vị đo của E: J, eV, kcal, cm-1.
1 c
T


1



hc
E h

7TƯƠNG TÁC ÁNH SÁNG VỚI MÔ
8ĐỘ XUYÊN SÂU CỦA ÁNH SÁNG ĐỐI VỚI DA
9Chuyển động phân tử
SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
10
E0 – năng lượng phân tử ở trạng thái cơ bản
E1 – năng lượng phân tử ở trạng thái kích thích
ΔE – bước chuyển năng lượng của phân tử
11
 Năng lượng toàn phần của phân tử: tf e v jE E E E 
Trong đó: Etf - năng lượng toàn phần của phân tử
Ee - năng lượng của chuyển động điện tử
Ev – năng lượng chuyển động dao động
Ej – năng lượng chuyển động quay (Ee > Ev > Ej)
 Ở trạng thái cơ bản: 
0 0 0 0
tf e v jE E E E 
 Ở trạng thái kích thích: 
* * * *
tf e v jE E E E 
 Biến thiên (bước chuyển) năng lượng của phân tử: 
* 0 * 0 * 0 * 0( ) ( ) ( )tf tf tf e e v v j j e v jE E E E E E E E E E E E 
, ,
je v
e v j
EE E
v v v
h h h
 Tần số bức xạ ứng với chuyển động điện tử, dao động, quay:
12
Sơ đồ các mức năng lượng và bước chuyển năng lượng
điện tử, dao động, quay
13
0
100%
I
T
I
I0 - Cường độ ban đầu của nguồn sáng
IA - Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch
I - Cường độ ánh sáng sau khi qua dung dịch
IR - Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch
T - độ truyền qua
A - độ hấp thụ
0 A RI I I I 
0
0
100%
I I
A
I
ĐỊNH LUẬT LAMBERT - BEER
Định luật Lambert – Beer : 
0lg( )
I
A Cl
I
  
Trong đó: ε - là hệ số hấp thu phân tử (l/mol.cm)
C - nồng độ dung dịch (mol/l)
l - độ dày truyền ánh sáng (cm)
A - độ hấp thụ quang.
Phổ hấp thụ
1 1 2 2 ... n nA C l C l C l   
15
ĐIỀU KIỆN ĐỂ ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT
 Ánh sáng phải đơn sắc.
 Khoảng nồng độ phải thích hợp: khi nồng độ tăng thì
độ hấp thụ quang A tăng. Khi nồng độ tiếp tục tăng thì
độ hấp thụ quang A hầu như không tăng nữa..
 Dung dịch phải trong suốt.
 Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dưới tác
dụng của ánh sáng UV-VIS.
16
BÀI TẬP 1
Độ hấp thụ quang A của dung dịch anilin 2.10-4M
trong nước đo ở bước sóng λ là 0,252. Chiều dài ánh
sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính độ hấp thụ quang của
anilin 1,03. 10-4M khi đo ở cùng độ dài bước sóng
nhưng dùng cuvet 0,5cm.
17
BÀI GIẢI 1
A
A Cl
Cl
   
Vì cùng một chất tại cùng một bước sóng λ nên hệ số hấp thu
phân tử ε không thay đổi. Do đó ta có:
Tóm tắt: 
A1=0,252
C1=2.10
-4M, C2=1,03.10
-3M
l1=1cm, l2=0,5cm
A2=?
Ta có công thức: 
3
1 2 1 2 2
1 2 2 4
1 1 2 2 1 1
0,252.1,03.10 .0,5
0,649
2.10 .1
A A AC l
A
C l C l C l
 
18
BÀI TẬP 2
Cho dung dịch gồm 2 chất X và Y có cực đại hấp thụ tại 400
nm và 500 nm. Hệ số hấp thu mol ε của X và Y như sau:
Đo độ hấp thụ quang A của dung dịch tại hai bước sóng 400 nm
và 500 nm thu được lần lượt là 0,5 và 0,3. So sánh nồng độ chất
X và Y trong dung dịch.
400 nm 500 nm
εX (M
-1. cm-1) 1. 104 1.103
εY (M
-1. cm-1) 1.103 1. 104
19
Tóm tắt: 
400 4 1 1
500 3 1 1
400 3 1 1
500 4 1 1
400
500
1.10
1.10
1.10
1.10
0,5
0,3
?
X
X
Y
Y
X
Y
M cm
M cm
M cm
M cm
A
A
C
C




20
BÀI GIẢI 2
Theo định luật Lambert-Beer ta có:
Giải hệ phương trình trên ta được: 
500 400 500 400 400 500 500 400
400 500 400 500
400 500 500 400 500 400 500 400
400 500 400 500
( )( ) ( )
( )( ) ( )
Y Y X Y X Y Y YX
Y X Y X Y X X X X
A A A AC
C A A A A
       
       
1,88X
Y
C
C
Suy ra:
400 400
400
500 500
500
X X Y Y
X X Y Y
A C l C l
A C l C l
 
 
500 400
400 500
500 400 400 500
500 400
400 500
400 500 500 400
( )
( )
X X
Y
X Y X Y
Y Y
X
X Y X Y
A A
C
l
A A
C
l
 
   
 
   