Funcionamento do interferômetro

A radiação IR proveniente de uma fonte policromática é colimada por um espelho côncavo e direcionada ao divisor de feixe que, idealmente, divide a radiação em duas partes iguais, que se dirigem a um espelho fixo e um móvel.

Inicialmente, ambos os espelhos se situam a uma distância l do divisor de feixe, contudo o espelho móvel mover-se-á durante sua varredura de uma distância X, logo para um instante de tempo durante a execução do experimento este espelho estará localizado a uma distância (l + X) do divisor.

A radiação refletida por ambos os espelhos atinge novamente o divisor de feixe, que divide a combinação das radiações provenientes dos dois espelhos em 50% para a amostra/detector e 50% de volta para a fonte.

As duas componentes da radiação sofrem uma recombinação ao se encontrarem no divisor de feixe, que é devida à diferença de caminho óptico percorrido por elas.

A diferença de caminho óptico entre os dois feixes é de 2X, esta quantidade será convenientemente chamada de  Se n5-3), a interferência será construtiva, por outro lado, se _{(5-4), a interferência será destrutiva, se a diferença entre os caminhos} não for múltipla de  ou , haverá interferência parcialmente destrutiva.

A radiação recombinada atinge então a amostra e, após interagir com ela, é dirigida a um espelho côncavo, onde é focada no detector.

Estas ondas interagem com a amostra, que absorverá parte da radiação incidente ou a transmitira integralmente ao detector.

Assim sendo, o detector e seu sistema computadorizado acoplado somarão todas as radiações incidentes sobre ele durante uma varredura do espelho móvel. Estas radiações

que incidem sobre o detector, podem ter sido moduladas, devido às bandas de absorção na amostra. A soma de todos os sinais detectados formará o interferograma.

A figura abaixo mostra o aspecto “natural” de um interferograma IR e o mesmo após ter sido submetido à transformada de Fourier.

Figura 5.4 _{– Espectro FTIR natural (esq.) e após ser submetido à Transformada de Fourier, de [15]}

Para fins de ilustração, a Figura 5.5 traz um modelo do interferômetro de Michelson como disposto geralmente nos ensaios FTIR, percebe-se a enorme diferença na complexidade deste aparato, cujo funcionamento está bem detalhado em Hollas [68], página 68.

Muitas vezes, a fim de se obter um espectro IR com melhor resolução, equipa-se o dispositivo FTIR com um acessório chamado de ATR – attenuated total reflection, ou reflectância total atenuada – que está mostrado na Figura 5.6, abaixo.

Figura 5.6 – Figura esquemática de um acessório ATR, de [15]

Este acessório é montado no compartimento da amostra no espectrômetro [15], e consiste de um meio com alto índice de refração e transparente à radiação IR [71], que deve estar em perfeito contato físico com a amostra testada [15, 71]. Existem espelhos que direcionam o feixe, tanto o incidente quanto o de saída, provenientes da fonte e em direção ao detector, respectivamente.

Figura 5.7 – Esquema do interior de um acessório ATR, modificado de: [71]

Direcionado pelo espelho, o feixe IR entra no acessório ATR, onde sofre a reflexão total múltiplas vezes, conforme Figura 5.7. O arranjo funciona de maneira similar a um guia de onda [15], onde a radiação incidente interagirá com a amostra diversas vezes, penetrando-a e interagindo com ela, a fim de obter um espectro de melhor qualidade.

A profundidade a partir da qual o espectro será formado é dada pela equação 5-1 e corresponde à profundidade em que a amplitude campo elétrico da onda incidente decai a uma fração e-1 de seu valor inicial [15, 71].

√

onde /n1 é o comprimento de onda efetivo no meio mais denso,  é o ângulo de

incidência do feixe e n se referindo ao índice de refração dos dois meios, sendo o índice 1 relativo a amostra e o índice 2 ao cristal.

Da equação 5-5, obtém-se que é possível ajustar a profundidade de penetração do feixe ao mudar-se o material do cristal em contato com a amostra, sendo assim possível fazer uma análise da composição da amostra em camadas [71]. Outra maneira de fazê-lo é mudando o ângulo de incidência do feixe.

A eficiência do método ATR fica mais clara se a comparação com o método de FTIR por transmissão for feita. Para tal, existe uma quantidade chamada espessura efetiva (de), compara a espessura da amostra em uma medida FTIR por transmissão ao equivalente de

uma reflexão interna [71].

√

[ ]

Na Equação (5-2),  refere-se ao ângulo de incidência do feixe e n21 é a razão

entre n2 e n1. Obviamente o valor obtido por de será menor que dp, mas com múltiplas

reflexões internas tem-se uma espessura efetiva maior que os valores atingidos em uma utilização do método de transmissão.

A explicação para a diferença entre os espectros FTIR observados pelos dois métodos, conforme Figura 5.8, é que perto dos valores críticos de isto é, dos valores próximos aos quais a reflexão total do feixe acontece, de excede dp, então o aumento do

módulo do campo elétrico na interferência faz do ATR uma medida mais sensível que a transmissão [71].

Figura 5.8 – Espectro FTIR de uma mesma amostra utilizando o método de transmissão (acima) e o acessório ATR (abaixo), de [15]

A explicação para a diferença entre os espectros FTIR observados pelos métodos é que perto dos valores críticos de isto é, dos valores próximos aos quais a reflexão total do feixe acontece, de excede dp, então o aumento do módulo do campo elétrico na interferência

faz do ATR uma medida mais sensível que a transmissão [71], conforme Figura 5.8.

Para maiores detalhes acerca do fenômeno de reflectância total, recomenda-se a leitura de uma boa referência em Eletromagnetismo, como Reitz [72], onde há a dedução teórica relativa a este assunto.