기기분석화학 1

명 노 승

myung@kku.ac.kr

자연대 216호, 043-840-3578

수 & 금 3시 ~ 4시 15분 (자116)

http://cafe.daum.net/noseungmyung

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• 성적

– 시험 : 중간+기말+추가시험

– 출석

– 예) 2011년

등수 총점 학점 1 195 A+ 2 192 A+ 3 185 A+ 4 175 A 175 A 6 170 A 7 168 A 8 162 A 9 160 A 10 138 B+ 11 137 B+ 12 135 B+ 13 134 B+ 14 133 B+ 15 122 B 16 110 B 17 107 B 18 103 B 19 102 B 20 92 C+ 92 C+

22 91 C+ 91 C+

24 84 C+ 25 74 C+ 26 63 C+ 27 61 C+ 28 34 C 29 24 C 30 6 D+ 31 3 D+

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교 재

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5

6

7

강의진도

• 기기분석 1 : 2012년 2학기

– 원자분광학 + 분자분광학

• 기기분석 2 및 실험

– 전기분석화학 + 분리분석 + 실험

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9

정성 vs. 정량 10

6장 분광법 서론

An Introduction to

Spectrometric Methods

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An Introduction to

Spectrometric Methods

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• 기기분석법

– 전기분석법(electroanalytical chemistry)

– 분리분석법(chromatography)

– 분광법(spectrometry)

• 물질과 전자기복사선의 상호작용 (입자포함)

• 원자 분광학 (atomic spectroscopy) : ICP, AAS

• 분자 분광학 (molecular spectroscopy) : UV-vis, IR

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• 입자와 파동의 이중성

• 파동 모형

– 파장, 진동수, 속도 및 진폭

– 매질 불필요 (진공에서도 쉽게 통과, 소리는 매질 필요)

• 입자 모형

– 광자 (photon)라는 입자의 흐름

– 광자의 에너지는 복사선의 진동수에 비례

– 에너지의 흡수와 방출 설명 가능

6A 전자기복사선의 일반적 성질

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6B 전자기복사선의 파동 성질

• 전자기복사선 (electromagnetic radiation)

– 전기장과 자기장이 직각으로 진동하는 sine파

– 전기적 성분만 고려 : 투과, 반사, 굴절, 흡수와 관련 (자기적 성분 : NMR과 관련)

그림 6-1(a) 단일 주파수 전자기 복사선의 파 성질. 평면 편광파가 x 축을 따라 전파되는 것이 보인다. 전기장이 자기장과 직교하여 같은 평면에서 진동한다. 복사선이 분극되지 않았으면 전기장 성분이 모든 평면에서 보였을 것이다.

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빛의 정체_EBS 클릭 사이언스

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18

6B－1 파동 파라미터

• 주기(period, P) : 연속되는 극대점(극소점)이 공간

의 일정한 점을 통과하는데 걸리는 시간, sec

• 진동수(frequency, v) : 전기장이 매초당 진동하는

수(=1/p), Hz

그림 6-1(b) 전기장 진동만 보인다. 파의 진폭은 파고에서 전기장 벡터의 길이이다. 파장은 인접한 파고간의 길이이다.

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• 진폭 (amplitude, A) : 파동의 극대점에서 전기벡

터의 길이

• 파장(wavelength, λ) : 파동의 연속되는 두 개의

동일한 점 사이의 거리

• 파수 (wavenumber) : 1/λ, cm-1

그림 6-1(b) 전기장 진동만 보인다. 파의 진폭은 파고에서 전기장 벡터의 길이이다. 파장은 인접한 파고간의 길이이다.

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• 전파속도(velocity of propagation)

– 매질에 따라 속도 변화 : 물질과의 상호작용

– 진공에서 최대 (3×108 m/s)

• 진동수

– 광원의 종류에만 의존 (매질의 종류에 무관)

ii

21

그림 6-2 복사선이 공기에서 유리로, 그리고 다시 공기로 나올 때 파장의 변화. 유리로 들어갈 때 파장은 거의 200 nm 또는 30% 이상 짧아진다. 다시 공기로 나올 때는 반대 현상이 일어난다.

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6B-2 전자기 스펙트럼

그림 6-3 전자기 스펙트럼 지역

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24

(최신분석화학그림 18-2) 각 영역의 빛이 흡수되었을 때 일어나는 대표적인 분자들의 변화 과정을 보여주는 전자기 스펙트럼. 가시선 스펙트럼은 380~780 nm의 파장 범위에 걸쳐있다 (1 nm=10-9 m). 25

6B-3 파동의 수학적 표현

)2sin(

2

)sin(

tAy

tAy

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6B-4 파동의 겹침

• 진동수 ν1= ν2

그림 6-4 sine 파동의 겹침. (a) A1<A2, (ф1- ф2)=-20o, ν1= ν2 : (b) A1<A2, (ф1- ф2)=-200o, ν1= ν2. 실선은 두 점선 곡선이 겹쳐서 생긴 것이다.

ф1-ф2 증가 → 진폭 감소

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• 최대 보강 간섭 (constructive interference)

– ф1-ф2 = 0o, 360o, 360o×n일 때

• 최대 상쇄 간섭 (destructive interference)

– ф1-ф2 = 180o, (180o +360o)×n일 때

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• 진동수 ν1 ≠ ν2

그림 6-5 진동수는 다르나 진폭이 같은 두 파동의 겹침. (a)1/ν1의 주기를 갖는 파동 1, (b) 1/ν2의 주기를 갖는 파동 2 (ν2 =1.25ν1), (c)파동이 겹쳐진 형태. ν1 과 ν2

의 겹침은 Δν =| ν1 - ν2 |인 1/Δν 의 주기를 갖는 맥놀이를 만든다는 것을 알 수 있다.

12

11

bP

29

How are beats made?

• http://tubeencore.com/watch/?v=6jElYFYGGqg

30

31

• 네모파

그림 6-6 (a) 3 개의 sine 파동의 겹침

32

그림 6-6 (b) 9 개의 sine 파동의 겹침 더 네모인 것? FT-IR

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Figure 7-41 (a)Time-domain plot of two slightly different frequencies of the same

amplitude v1 and v2. (b)Time-domain plot of the sum of the two waveforms in (a).

(c)Frequency-domain plot of v1. (d) Frequency-domain plot of v2. (e)Frequency-

domain plot of waveform in (b) 34

6B-5 복사선의 회절

• 회절 (diffraction)

– 복사선의 평행한 빛살이 장애물이나 좁은 구멍을 통과할 때 구부러지는 현상

– 파동에 속하는 성질

– 기계적 파동이나 음향파동에서도 관찰

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그림 6-7 슬릿을 통한 파동의 전파 (a) xy≫ λ

• xy≫ λ : 약한 회절

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그림 6-7 슬릿을 통한 파동의 전파 (b) xy = λ

• xy = λ : 강한 회절

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• 간섭 (interference)

그림 6-8 슬릿에 의한 단색 복사선의 회절 38

그림 6-8 슬릿에 의한 단색 복사선의 회절

슬릿 나비 ≒ 파장 → 중앙에서 멀어질 수록 띠의 세기 감소

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OD

DEBCn

ODDEBCn

nBDCDCF

FDBDBCCF

sin sin

) (

sin

간섭보강

40

OE

DE BC

OD

DE BCn

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6B-6 간섭성 복사선(coherent radiation)

• 회절무늬 (diffraction pattern)의 조건

– 두 복사선이 간섭성 (coherent)

• 간섭성의 조건

– 두 복사선의 진동수가 동일

– 두 빛살 사이의 위상관계가 시간에 따라 일정

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Diffraction and interference

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6B-7 복사선의 투과

• 복사선과 물질의 상호작용

– 복사선의 속도 : 진공 > 투명한 물질

– 복사선의 속도는 매질 중 원자, 이온, 분자의 종류와 농도에 의존

– 진동수는 일정

복사선은 물질과 상호작용을 한다 + 에너지 의 영구적인 전이는 일어나지 않는다

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결론은?

• 굴절률 (refractive index)

– 매질과 복사선이 상호작용하는 정도

• n : 굴절률, c (v): 진공 (매질)에서의 속도

– 대부분의 액체(1.3~1.8), 고체(1.3~2.5)

i

iv

cn

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• 물질과 빛의 상호작용 : 투과과정

– 복사선의 교류 전자기장 → 원자 또는 분자의 전자구름을 일시적으로 변형 (편극) → 화학종에 머물렀던 에너지는 다시 빛으로 방출 → 빛의 전파 속도 감소

– 에너지는 불변 : 진동수 일정

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• 산란 (scattering)

– 매질 중 편극된 입자에서 나오는 복사선 : 모든 방향으로 방출

– 작은 입자 : 많은 양의 빛은 상쇄간섭

– 큰 입자 : 불완전한 상쇄 간섭, 모든 방향으로 산란

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• 분산 (dispersion)

– 굴절률이 파장이나 진동수에 따라 변하는 것

그림 6-9 대표적인 분산곡선

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• 정상분산

– 굴절률이 점진적으로 변화

– 렌즈 용 : 굴절률이 크고 일정

• 비정상 분산

– 굴절률이 급격히 변화

– 프리즘 용 : 굴절률이 크고 진동수에 크게 의존

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6B-8 복사선의 굴절

• 굴절 (refraction)

– 밀도가 다른 두 가지 투명한 매질의 경계 면에서 빛살의 급격한 방향 변화

– 두 매질에서 복사선의 속도 차이

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그림 6-10 빛살이 밀도가 낮은 매질 M1으로부터 더 조밀한 매질 M2로 통과할 때의 굴절. 이때 속도는 감소한다.

• Snell의 법칙

1

2

1

2

2

1

sin

sin

v

v

n

n

• M1이 진공인 경우 n1=1, v1= c

2

12

sin

sin

n

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Snell의 법칙

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