Читаем УФ-видимые спектры в браузере: λmax, закон Бугера–Ламберта–Бера, цвет и ширина запрещённой зоны по Таугу

Попробуйте просмотрщик УФ-видимых спектров здесь

Попробуйте здесь

Зачем нужен браузерный просмотрщик УФ-видимых данных?

УФ-видимая спектроскопия — одно из самых быстрых измерений в лаборатории. Медленная часть начинается потом: у вас есть файл, а нужны λmax, молярный коэффициент поглощения, рисунок или ширина запрещённой зоны. В электронной таблице для этого приходится переводить единицы, искать максимумы на глаз и строить графики вручную. Просмотрщик выполняет эти шаги на одной странице без установки.

Кратко о теории

λmax. Молекулы поглощают УФ и видимый свет, когда электрон переходит на более высокую орбиталь, как при переходах π→π* или n→π*. λmax — длина волны, на которой полоса поглощает сильнее всего. Удлинение сопряжения сдвигает её в длинноволновую область. β-Каротин с одиннадцатью сопряжёнными связями C=C поглощает в синей части видимого диапазона.

Чтобы примерно понять, где соединение должно поглощать, ещё до измерения, предскажите УФ-видимые полосы по нарисованной структуре с помощью плагина Spectroscopy.

Закон Бугера–Ламберта–Бера. Оптическая плотность A = εcl, где ε — молярный коэффициент поглощения (л моль⁻¹ см⁻¹), c — концентрация (моль/л), а l — длина оптического пути (см). Кроме того, A = −log₁₀T. Закон лучше всего выполняется для разбавленных растворов.

Цвет. Образец выглядит цветом, дополнительным к поглощаемому свету. Полоса в синей области делает раствор жёлтым. Полоса в зелёной области, как у перманганата, делает его фиолетовым.

График Тауга. Для полупроводника постройте (αhν)² против энергии фотона hν для прямого разрешённого перехода или (αhν)^1/2 для непрямого разрешённого. Продлите прямолинейную часть края поглощения до нуля. Точка пересечения даёт оценку оптической ширины запрещённой зоны Eg.

Какие файлы можно открыть

• JCAMP-DX (.jdx, .dx). Просмотрщик берёт единицы осей x и y из файла.
• CSV или TXT с двумя столбцами. Столбец x может быть в нм, мкм, см⁻¹ или эВ. Столбец y — оптическая плотность или пропускание. Если заголовков нет, просмотрщик определяет единицы по числам.

Выберите сразу несколько файлов, чтобы наложить их. Для практики используйте модельные примеры или скачайте пример .jdx.

Как проанализировать спектр: пошагово

1. Нажмите Открыть УФ-видимый файл(ы) или перетащите файлы в поле. Можно также нажать пример: β-Каротин, KMnO4, Серия красителя (5 конц.), Ширина запрещённой зоны ZnO или Пример файла .jdx.
2. Выберите для оси Y Поглощение или %T, а для оси X — nm, eV или см⁻¹.
3. Прочитайте таблицу Пики λmax. В ней каждый пик указан в нм, эВ и см⁻¹ с оптической плотностью и цветом. Двигайте ползунок Выраженность пика, если пропало плечо или появились мелкие бугорки.
4. В блоке Закон Бугера–Ламберта–Бера введите Путь l (см) и Концентрацию в моль/л, ммоль/л или мкмоль/л, чтобы получить ε и log ε. Или введите ε, чтобы получить концентрацию. Нажмите строку таблицы или точку на графике, чтобы использовать другую длину волны. Снова использовать λmax возвращает к максимуму.
5. Для ширины запрещённой зоны откройте График Тауга и ширина запрещённой зоны, выберите Переход и нажмите Автоаппроксимация или введите свои значения Аппроксимация от (эВ) и до.
6. Нажмите Экспорт PNG, Экспорт CSV или PNG графика Тауга.

Что умеет просмотрщик

Как использовать на занятиях и в лаборатории

• Сопряжение и цвет: загрузите β-каротин, затем добавьте KMnO4 с отмеченным Добавлять на график, а не заменять. Сравните, где поглощает каждый и почему один выглядит жёлтым, а другой фиолетовым.
• Проверка закона Бугера–Ламберта–Бера: загрузите серию красителя. Выбирайте каждый спектр по имени и вводите его концентрацию. Если закон выполняется, ε каждый раз должен получаться примерно одинаковым.
• Неизвестная концентрация: введите ε из калибровки или литературы, чтобы получить c.
• Полупроводниковые плёнки: освойте метод Тауга на примере ZnO, затем откройте спектр своей плёнки. Для органического полупроводника сравните эту оптическую ширину запрещённой зоны с электрохимической, полученной из оценок ВЗМО и НСМО в просмотрщике циклических вольтамперограмм.
• Лабораторные отчёты: экспортируйте PNG для рисунка и CSV для данных.

Советы и ограничения

• Записывайте холостой спектр растворителя на спектрофотометре. Просмотрщик его не вычитает.
• Слабое плечо на большой полосе может не определиться как пик.
• График Тауга использует оптическую плотность вместо коэффициента поглощения α. Для нахождения точки пересечения с нулём это допустимо. Для порошков, измеренных методом диффузного отражения, перед открытием файла переведите данные в функцию Кубелки–Мунка.
• Прежде чем сообщать Eg, проверьте закрашенный диапазон аппроксимации и R². Другой диапазон может дать другой результат.
• Цвет — ориентировочный. Реальный цвет зависит также от ширины полосы, концентрации и источника света.
• В CSV все видимые спектры приводятся к значениям x первого, поэтому спектры с другой сеткой интерполируются.

Другие бесплатные просмотрщики данных