Spettroscopia in assorbimento overtone dell anidride carbonica con l uso di laser a diodo

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Spettroscopia in assorbimento overtone dell anidride carbonica con l uso di laser a diodo"

Gastone Dini
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Spettroscopia in assorbimento overtone dell anidride carbonica con l uso di laser a diodo A. Lucchesini, S. Gozzini Istituto per i Processi Chimico Fisici del Consiglio Nazionale delle Ricerche - Pisa - Italy SIF - XCII Congresso Nazionale, Torino Settembre 2006

2 Tecnica Sperimentale assorbimento ottico tecnica della modulazione di frequenza sperimentale apparato sperimentale Risultati sperimentali risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda

3 Anidride carbonica Outline L anidride carbonica è una delle molecole più studiate perché è uno dei principali responsabili dell effetto serra. Dal punto di vista chimico-fisico è un ottima palestra per interpretare sia classicamente, che quantisticamente il comportamento delle molecole lineari e simmetriche.

4 Anidride carbonica L anidride carbonica è una delle molecole più studiate perché è uno dei principali responsabili dell effetto serra. Dal punto di vista chimico-fisico è un ottima palestra per interpretare sia classicamente, che quantisticamente il comportamento delle molecole lineari e simmetriche. Le risonanze roto-vibrazionali overtones del CO 2 sono state osservate per la prima volta una settantina d anni fa nell atmosfera di Venere nello spettro del vicino infrarosso.

5 Anidride carbonica L anidride carbonica è una delle molecole più studiate perché è uno dei principali responsabili dell effetto serra. Dal punto di vista chimico-fisico è un ottima palestra per interpretare sia classicamente, che quantisticamente il comportamento delle molecole lineari e simmetriche. Le risonanze roto-vibrazionali overtones del CO 2 sono state osservate per la prima volta una settantina d anni fa nell atmosfera di Venere nello spettro del vicino infrarosso. Qui viene presentato un lavoro di spettroscopia ad alta risoluzione con sorgenti a diodo laser free-running, cioè senza alcun feedback ottico od elettronico.

6 assorbimento ottico tecnica della modulazione di frequenza Generalmente l intensità della radiazione trasmessa attraverso un campione può esser descritta come il prodotto della radiazione incidente I 0 (ν) e la trasmittanza τ(ν), dove ν è la distanza tra la frequenza centrale della riga d assorbimento: I (ν) = I 0 (ν)τ(ν). (1)

7 assorbimento ottico tecnica della modulazione di frequenza La trasmittanza può esser scritta dall equazione di Lambert-Beer: τ(ν) = e σ(ν) z, (2) dove z = ρ l è la concentrazione nella colonna (molecole cm 2 ), cioè il prodotto della densità della specie assorbente ρ (molecole cm 3 ) ed il percorso ottico l (cm) della radiazione attraverso il campione; la sezione d urto d assorbimento σ(ν) è espressa in cm 2 /molecule. Nel caso di piccoli spessori ottici come questo, σ(ν)z 1 e l Eq. (2) può essere approssimata da τ(ν) 1 σ(ν) z. (3)

8 assorbimento ottico tecnica della modulazione di frequenza Quando si usa la tecnica FM, la frequenza d emissione del diodo laser viene modulata sinusoidalmente ad una frequenza ν m = ωm 2π tramite la sua corrente d iniezione, ν = ν + a cos ω m t (4) Se poi la lunghezza d onda di emissione, o meglio, la frequenza d emissione ν viene variata attorno alla transizione prescelta, si ottiene un segnale che dipende sia dalla forma di riga, che dai parametri di modulazione e può esser sviluppata in una serie di Fourier del tipo τ( ν + a cos ω m t) = H n ( ν, a) cos nω m t, (5) n=0

9 assorbimento ottico tecnica della modulazione di frequenza Demodulando il segnale tramite un amplificatore lock-in tunato su un multiplo nν m (n = 1, 2,...) della frequenza di modulazione, si otterrà un segnale proporzionale all n-ma componente H n ( ν). Quando infine si sceglie un ampiezza di modulazione a più piccola della larghezza di riga della transizione, l n-mo componente di Fourier sarà proporzionale alla derivata n-ma del segnale originale, H n ( ν, a) = 21 n n! a n d n τ(ν) dν n, n 1. (6) ν= ν

10 Schema dell esperimento apparato sperimentale

11 Table foto Outline apparato sperimentale

12 risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda Spettro d assorbimento del CO 2 attorno a nm

13 Data... Outline risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda J R(J) σ max P(J) σ max (cm 1 ) (10 26 cm 2 /mol.) (cm 1 ) (10 26 cm 2 /mol.) ± ± ± ± ± ± ± ± ± 0.2

14 Data... continued... Outline risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda J R(J) σ max P(J) σ max (cm 1 ) (10 26 cm 2 /mol.) (cm 1 ) (10 26 cm 2 /mol.) ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

15 Data... finished Outline risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda J R(J) σ max P(J) σ max (cm 1 ) (10 26 cm 2 /mol.) (cm 1 ) (10 26 cm 2 /mol.) ±

16 Costanti molecolari Outline risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda Per calcolare il parametri rotazionali B ν, D ν e l origine di banda ν 0 si calcola la differenza della combinazione R(J 1) P(J + 1) = 2 F (J) e la somma R(J) + P(J) direttamente dai dati sperimentali: ( 2 F (J) = (4B 6D ) J + 1 ) ( 8D J (7) 2 2) ma D /B 10 6, perciò l Eq. (7) può esser scritta ( 2 F (J) = 4B J + 1 ) ( 8D J (8) 2 2)

17 risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda 2 F (J)/(J ) vs (J )2

18 risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda Dal fit lineare di 2 F (J)/(J ) vs (J )2 nasce che: B 000 = ( ± ) cm 1, D 000 = (1.1 ± 0.2) 10 7 cm 1 Ed ancora: R(J) + P(J) = 2ν 0 + (2B 4D ) + 2(B B 6D )J(J + 1) 2(D D )J 2 (J + 1) 2 (9) tenendo poi conto che D D : R(J) + P(J) = 2ν 0 + 2B + 2(B B )J(J + 1). (10)

19 R(J) + P(J) vs J(J + 1) risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda

20 risonanze assorbimento overtone determinazione dei parametri di banda Dall intercetta e dal coefficiente angolare ed usando il valore di B testè ottenuto si ha: e B = ( ± ) cm 1 ν 0 = ( ± 0.001) cm 1. Note: Accepted for publication on Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer (Elsevier, 2007).

21 Outline Tramite spettroscopia laser a modulazione di frequenza e l utilizzo di una cella multipasso alla Herriott di 30 m, sono state osservate 40 righe molecolari di 12 C 16 O 2 attorno ai cm 1 ed è stata misurata la loro posizione con un incertezza di 0.01 cm 1.

22 Outline Tramite spettroscopia laser a modulazione di frequenza e l utilizzo di una cella multipasso alla Herriott di 30 m, sono state osservate 40 righe molecolari di 12 C 16 O 2 attorno ai cm 1 ed è stata misurata la loro posizione con un incertezza di 0.01 cm 1. La posizione assoluta delle righe d assorbimento è stata ottenuta da un confronto con una cella di riferimento contenente iodio molecolare. Le sezioni d urto d assorbimento osservata variano tra e cm 2 /molecole misurate a temperatura ambiente.

23 Outline Tramite spettroscopia laser a modulazione di frequenza e l utilizzo di una cella multipasso alla Herriott di 30 m, sono state osservate 40 righe molecolari di 12 C 16 O 2 attorno ai cm 1 ed è stata misurata la loro posizione con un incertezza di 0.01 cm 1. La posizione assoluta delle righe d assorbimento è stata ottenuta da un confronto con una cella di riferimento contenente iodio molecolare. Le sezioni d urto d assorbimento osservata variano tra e cm 2 /molecole misurate a temperatura ambiente. Sulla base di queste misurazioni, sono stati ottenuti i parametri rotazionali B ν, D ν e l origine dibanda ν 0 con ottima approssimazione.

Documenti analoghi

Metodi spettroscopici

Metodi spettroscopici I metodi spettroscopici sono tecniche sperimentali basate sull interazione tra energia e materia per la determinazione di proprietà fisiche e chimiche. Metodi spettroscopici L interazione