Spektroskopie

Spektroskopie

Spektroskopie je studium interakce mezi hmotou a elektromagnetickým zářením jako funkce vlnové délky nebo frekvence záření. Jednodušeji řečeno, spektroskopie je přesné studium barvy , jak je zobecněno z viditelného světla do všech pásem elektromagnetického spektra ; skutečně, historicky, spektroskopie vznikla jako studium závislosti na vlnové délce absorpce hmotou v plynné fázi viditelného světla rozptýleného hranolem . Hmota vlny aakustické vlny lze také považovat za formy radiační energie a nedávno byly gravitační vlny spojovány se spektrálním podpisem v kontextu laserové interferometrové observatoře gravitačních vln (LIGO).

Spektroskopie, především v elektromagnetickém spektru, je základním průzkumným nástrojem v oblasti fyziky , chemie a astronomie , který umožňuje zkoumat složení, fyzikální strukturu a elektronovou strukturu hmoty v atomárním, molekulárním a makro měřítku a v astronomickém měřítku. vzdálenosti . Významné aplikace pocházejí z biomedicínské spektroskopie v oblastech tkáňové analýzy a lékařského zobrazování.

Úvod

Spektroskopie je vědní obor zabývající se spektry elektromagnetického záření v závislosti na jeho vlnové délce nebo frekvenci měřené spektrografickým zařízením a dalšími technikami za účelem získání informací o struktuře a vlastnostech hmoty. Spektrální měřicí přístroje se označují jako spektrometry , spektrofotometry , spektrografy nebo spektrální analyzátory. Většina spektroskopických analýz v laboratoři začíná vzorkem, který má být analyzován, poté se vybere zdroj světla z libovolného požadovaného rozsahu světelného spektra, poté světlo prochází vzorkem do disperzního pole (přístroj s difrakční mřížkou) a je zachyceno fotodioda. Pro astronomické účely musí být dalekohled vybaven zařízením pro rozptyl světla. Existují různé verze tohoto základního nastavení, které lze použít.

Spektroskopie jako věda začala tím, že Isaac Newton rozděloval světlo pomocí hranolu a nazývala se Optika . Proto to bylo původně studium viditelného světla, kterému říkáme barva , která později pod studiem Jamese Clerka Maxwella zahrnula celé elektromagnetické spektrum .Ačkoli barva je zahrnuta ve spektroskopii, není ztotožňována s barvou prvků nebo předmětů, které zahrnují absorpci a odraz určitých elektromagnetických vln, aby našim očím poskytly barvy. Spektroskopie spíše zahrnuje štěpení světla hranolem, difrakční mřížkou nebo podobným nástrojem, aby se vytvořil zvláštní diskrétní čárový vzor nazývaný "spektrum" jedinečný pro každý odlišný typ prvku. Většina prvků je nejprve uvedena do plynné fáze, aby bylo možné zkoumat spektra, i když dnes lze pro různé fáze použít jiné metody. Každý prvek, který je difraktován hranolovým přístrojem, zobrazuje buď absorpční spektrum nebo emisní spektrum v závislosti na tom, zda je prvek ochlazen nebo ohříván.

Až donedávna veškerá spektroskopie zahrnovala studium čárových spekter a většina spektroskopií stále ještě studuje. Vibrační spektroskopie je odvětví spektroskopie, které studuje spektra. Nejnovější vývoj ve spektroskopii se však někdy může obejít bez disperzní techniky. V biochemické spektroskopii lze získat informace o biologické tkáni technikami absorpce a rozptylu světla. Spektroskopie rozptylu světla je druh reflektanční spektroskopie, která určuje tkáňové struktury zkoumáním elastického rozptylu. V takovém případě je to tkáň, která působí jako difrakční nebo disperzní mechanismus.

Spektroskopické studie byly ústředním bodem vývoje kvantové mechaniky , protože první užitečné atomové modely popisovaly spektra vodíku, mezi které patří Bohrův model , Schrödingerova rovnice a maticová mechanika , které všechny mohou produkovat spektrální čáry vodíku . základ pro diskrétní kvantové skoky, aby odpovídaly diskrétnímu vodíkovému spektru. Také Max Planckovo vysvětlení záření černého tělesa zahrnovalo spektroskopii, protože porovnával vlnovou délku světla pomocí fotometru s teplotou černého tělesa . Spektroskopie se používá vfyzikální a analytická chemie , protože atomy a molekuly mají jedinečná spektra. Výsledkem je, že tato spektra lze použít k detekci, identifikaci a kvantifikaci informací o atomech a molekulách. Spektroskopie se také používá v astronomii a dálkovém průzkumu Země. Většina výzkumných dalekohledů má spektrografy. Naměřená spektra se používají k určení chemického složení a fyzikálních vlastností astronomických objektů (jako je jejich teplota , hustota prvků ve hvězdě, rychlost , černé díry a další). Významné využití pro spektroskopii je v biochemii. Molekulární vzorky mohou být analyzovány na identifikaci druhů a energetický obsah.

teorie

Ústřední teorií spektroskopie je, že světlo se skládá z různých vlnových délek a že každá vlnová délka odpovídá jiné frekvenci. Význam spektroskopie se soustředí kolem skutečnosti, že každý jiný prvek v periodické tabulcemá jedinečné světelné spektrum popsané frekvencemi světla, které vyzařuje nebo absorbuje, a které se konzistentně objevuje ve stejné části elektromagnetického spektra, když je toto světlo difraktováno. To otevřelo celé pole studia s čímkoli, co obsahuje atomy, což je celá hmota. Spektroskopie je klíčem k pochopení atomových vlastností veškeré hmoty. Spektroskopie jako taková otevřela mnoho nových dílčích oblastí vědy, které dosud nebyly objeveny. Myšlenka, že každý atomový prvek má svůj jedinečný spektrální podpis, umožnila použití spektroskopie v širokém počtu polí, z nichž každé se specifickým cílem dosaženým různými spektroskopickými postupy.

Rozšíření pole spektroskopie je způsobeno skutečností, že jakákoli část elektromagnetického spektra může být použita k analýze vzorku od infračerveného po ultrafialové, což vědcům řekne různé vlastnosti o stejném vzorku. Například v chemické analýze nejběžnější typy spektroskopie zahrnují atomovou spektroskopii, infračervenou spektroskopii, ultrafialovou a viditelnou spektroskopii, Ramanovu spektroskopii a nukleární magnetickou rezonanci .V nukleární magnetické rezonanci za tím stojí teorie, že frekvence je analogická rezonanci a její odpovídající rezonanční frekvenci. Rezonance podle frekvence byly poprvé charakterizovány v mechanických systémech, jako jsou kyvadlakteré mají frekvenci pohybu proslulou Galileem .

Klasifikace metod

Obrovská difrakční mřížka v srdci ultrapřesného spektrografu ESPRESSO .

Spektroskopie je dostatečně široká oblast, na kterou existuje mnoho dílčích disciplín, z nichž každá má četné implementace specifických spektroskopických technik. Různé implementace a techniky lze klasifikovat několika způsoby.

Typ radiační energie

Typy spektroskopie se rozlišují podle typu radiační energie zapojené do interakce. V mnoha aplikacích se spektrum určuje měřením změn intenzity nebo frekvence této energie. Typy studované radiační energie zahrnují:

• Elektromagnetické záření bylo prvním zdrojem energie používaným pro spektroskopické studie. Techniky, které využívají elektromagnetické záření, jsou typicky klasifikovány podle oblasti vlnové délky spektra a zahrnují mikrovlnnou , terahertzovou , infračervenou , blízkou infračervenou , ultrafialovou-viditelnou , rentgenovou a gama spektroskopii.
• Částice mohou být díky svým de Broglieho vlnám také zdrojem energie záření. Běžně se používá jak elektronová , tak neutronová spektroskopie . U částice určuje vlnovou délku její kinetická energie.
• Akustická spektroskopie zahrnuje vyzařované tlakové vlny.
• Dynamická mechanická analýza může být použita k předání vyzařovací energie, podobné akustickým vlnám, do pevných materiálů.

Povaha interakce

Typy spektroskopie lze také rozlišit podle povahy interakce mezi energií a materiálem. Mezi tyto interakce patří:

• Absorpční spektroskopie : Absorpce nastává, když je energie ze zdroje záření absorbována materiálem. Absorpce se často určuje měřením podílu energie procházející materiálem, přičemž absorpce snižuje přenášenou část.
• Emisní spektroskopie : Emise indikuje, že materiál uvolňuje energii záření. Spektrum černého tělesa materiálu je spektrum spontánní emise určené jeho teplotou. Tato vlastnost může být měřena v infračervené oblasti pomocí přístrojů, jako je interferometr vyzařovaný atmosférickým zářením. Emise může být také vyvolána jinými zdroji energie, jako jsou plameny , jiskry , elektrické oblouky nebo elektromagnetické záření v případě fluorescence.
• Elastická rozptylová a reflexní spektroskopie určují, jak se dopadající záření odráží nebo rozptyluje materiálem. Krystalografie využívá rozptyl vysokoenergetického záření, jako je rentgenové záření a elektrony, ke zkoumání uspořádání atomů v proteinech a pevných krystalech.
• Impedanční spektroskopie : Impedance je schopnost média bránit nebo zpomalovat prostup energie. Pro optické aplikace je to charakterizováno indexem lomu .
• Jev nepružného rozptylu zahrnuje výměnu energie mezi zářením a hmotou, která posouvá vlnovou délku rozptýleného záření. Patří mezi ně Ramanův a Comptonův rozptyl .
• Koherentní nebo rezonanční spektroskopie jsou techniky, kde radiační energie spojuje dva kvantové stavy materiálu v koherentní interakci, která je podporována vyzařujícím polem. Koherence může být narušena jinými interakcemi, jako jsou srážky částic a přenos energie, a tak často vyžaduje udržení vysoké intenzity záření. Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR) je široce používaná rezonanční metoda a ultrarychlá laserová spektroskopie je možná také v infračervené a viditelné oblasti spektra.
• Jaderná spektroskopie jsou metody, které využívají vlastností specifických jader ke zkoumání lokální struktury hmoty, zejména kondenzované hmoty , molekul v kapalinách nebo zmrzlých kapalin a biomolekul.

Typ materiálu

Spektroskopické studie jsou navrženy tak, aby zářivá energie interagovala se specifickými druhy hmoty.

atomy

Atomová spektroskopie byla první vyvinutou aplikací spektroskopie. Atomová absorpční spektroskopie a atomová emisní spektroskopie zahrnují viditelné a ultrafialové světlo. Tyto absorpce a emise, často označované jako atomové spektrální čáry, jsou způsobeny elektronickými přechody elektronů vnějšího obalu, jak stoupají a klesají z jedné elektronové orbity na druhou. Atomy mají také odlišná rentgenová spektra, která lze připsat excitaci elektronů vnitřního obalu excitovaným stavům.

Atomy různých prvků mají odlišná spektra, a proto atomová spektroskopie umožňuje identifikaci a kvantifikaci elementárního složení vzorku. Po vynalezení spektroskopu objevili Robert Bunsen a Gustav Kirchhoff nové prvky pozorováním jejich emisních spekter. Atomové absorpční čáry jsou pozorovány ve slunečním spektru a po svém objeviteli označované jako Fraunhoferovy čáry . Komplexní vysvětlení vodíkového spektra bylo brzkým úspěchem kvantové mechaniky a vysvětlilo Lambův posun pozorovaný ve vodíkovém spektru, který dále vedl k rozvoji kvantové elektrodynamiky.

Moderní implementace atomové spektroskopie pro studium viditelných a ultrafialových přechodů zahrnují plamenovou emisní spektroskopii , atomovou emisní spektroskopii s indukčně vázaným plazmatem , spektroskopii doutnavého výboje , plazmovou spektroskopii indukovanou mikrovlnami a jiskrovou nebo obloukovou emisní spektroskopii. Techniky pro studium rentgenových spekter zahrnují rentgenovou spektroskopii a rentgenovou fluorescenci .

Molekuly

Spojení atomů do molekul vede k vytvoření unikátních typů energetických stavů a ​​tedy unikátních spekter přechodů mezi těmito stavy. Molekulární spektra lze získat díky elektronovým spinovým stavům ( elektronová paramagnetická rezonance ), molekulárním rotacím , molekulárním vibracím a elektronovým stavům. Rotace jsou kolektivní pohyby atomových jader a typicky vedou ke spektrům v mikrovlnných a milimetrových vlnových spektrálních oblastech. Rotační spektroskopie a mikrovlnná spektroskopie jsou synonyma. Vibrace jsou relativní pohyby atomových jader a jsou studovány infračervenou i Ramanovou spektroskopií . Elektronické excitace jsou studovány pomocí viditelné a ultrafialové spektroskopiefluorescenční spektroskopie .

Studium molekulární spektroskopie vedlo k vývoji prvního maseru a přispělo k následnému vývoji laseru.

Krystaly a rozšířené materiály

Kombinace atomů nebo molekul do krystalů nebo jiných rozšířených forem vede k vytvoření dalších energetických stavů. Tyto státy jsou četné, a proto mají vysokou hustotu stavů. Tato vysoká hustota často činí spektra slabší a méně zřetelná, tj. širší. Například záření černého tělesa je způsobeno tepelnými pohyby atomů a molekul v materiálu. Akustické a mechanické odezvy jsou také způsobeny kolektivními pohyby. Čisté krystaly však mohou mít zřetelné spektrální přechody a uspořádání krystalů má také vliv na pozorovaná molekulární spektra. Pravidelná mřížková struktura krystalů také rozptyluje rentgenové záření, elektrony nebo neutrony, což umožňuje krystalografické studie.

Jádra

Jádra mají také odlišné energetické stavy, které jsou široce odděleny a vedou ke spektrům gama záření . Odlišné jaderné spinové stavy mohou mít svou energii oddělenou magnetickým polem, což umožňuje nukleární magnetickou rezonanční spektroskopii .