Спектроскопия - Spectroscopy

Анализ белого света методом рассеивание он с призмой - образец спектроскопии.

Спектроскопия это исследование взаимодействия между иметь значение и электромагнитный радиация в зависимости от длины волны или частота излучения.[1][2][3][4][5][6] Исторически спектроскопия возникла как исследование зависимости поглощения газовой фазой вещества от длины волны. видимый свет рассредоточен призма. Волны материи и акустические волны также можно рассматривать как формы излучательной энергии, а в последнее время гравитационные волны были связаны со спектральной сигнатурой в контексте Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория (ЛИГО).

Спектроскопия, в первую очередь в электромагнитном спектре, является фундаментальным исследовательским инструментом в области физика, химия, и астрономия, позволяя исследовать состав, физическую структуру и электронную структуру вещества на атомной, молекулярный и макро масштаб, и более астрономические расстояния. Важные приложения возникают из биомедицинская спектроскопия в областях ткань анализ и медицинская визуализация.

Вступление

Спектроскопия и спектрография - это термины, используемые для обозначения измерения интенсивности излучения как функции длины волны и часто используются для описания экспериментальный спектроскопические методы. Устройства спектральных измерений называются спектрометры, спектрофотометры, спектрографы или же спектральные анализаторы.

Ежедневные наблюдения за цвет может быть связано со спектроскопией. Неоновое освещение является прямым применением атомная спектроскопия. Неон и другие благородные газы имеют характерные частоты излучения (цвета). Неоновые лампы используют столкновение электронов с газом для возбуждения этих выбросов. Чернила, красители и краски включают химические соединения, выбранные по их спектральным характеристикам, чтобы создавать определенные цвета и оттенки. Часто встречающийся молекулярный спектр это из диоксид азота. Газообразный диоксид азота имеет характерную способность поглощения красного цвета, что придает воздуху, загрязненному диоксидом азота, красновато-коричневый цвет. Рэлеевское рассеяние - явление спектроскопического рассеяния, которое объясняет цвет неба.

Спектроскопические исследования сыграли центральную роль в развитии квантовая механика и включены Макс Планк объяснение излучение черного тела, Альберт Эйнштейн объяснение фотоэлектрический эффект и Нильс Бор объяснение атомная структура и спектры. Спектроскопия используется в физический и аналитическая химия потому что атомы и молекулы имеют уникальные спектры. В результате эти спектры можно использовать для обнаружения, идентификации и количественной оценки информации об атомах и молекулах. Спектроскопия также используется в астрономия и дистанционное зондирование на земле. Большинство исследований телескопы есть спектрографы. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физические свойства из астрономические объекты (например, их температура и скорость ).

Теория

Одна из центральных концепций спектроскопии - это резонанс и соответствующая ему резонансная частота. Впервые резонансы были охарактеризованы в механических системах, таких как маятники. Механические системы, которые колеблются или колеблются, будут испытывать колебания большой амплитуды, когда они работают на своей резонансной частоте. График зависимости амплитуды от частоты возбуждения будет иметь пик с центром на резонансной частоте. Этот сюжет - один из видов спектр, с пиком, который часто называют спектральная линия, и большинство спектральные линии иметь похожий внешний вид.

В квантово-механических системах аналогичный резонанс представляет собой соединение двух квантово-механических систем. стационарные состояния одной системы, такой как атом, через колебательный источник энергии, такой как фотон. Связь двух состояний наиболее сильна, когда энергия источника соответствует разнице энергий между двумя состояниями. Энергия фотона связана с его частотой к куда является Постоянная Планка, и поэтому спектр отклика системы в зависимости от частоты фотона будет иметь максимум на резонансной частоте или энергии. Такие частицы, как электроны и нейтроны имеют сопоставимые отношения, отношения де Бройля, между их кинетической энергией и длиной волны и частотой и, следовательно, также могут вызывать резонансные взаимодействия.

Спектры атомов и молекул часто состоят из серии спектральных линий, каждая из которых представляет собой резонанс между двумя различными квантовыми состояниями. Объяснение этих серий и связанных с ними спектральных паттернов было одной из экспериментальных загадок, которые привели к развитию и принятию квантовой механики. В спектральная серия водорода в частности, было впервые успешно объяснено Квантовая модель Резерфорда-Бора атома водорода. В некоторых случаях спектральные линии хорошо разделены и различимы, но спектральные линии также могут перекрываться и представляться одним переходом, если плотность энергетических состояний достаточно высока. Именованные серии строк включают главный, острый, размытый и фундаментальный ряд.

Классификация методов

Огромная дифракционная решетка в основе сверхточного ЭСПРЕССО спектрограф.[7]

Спектроскопия - достаточно широкая область, в которой существует множество дисциплин, каждая из которых имеет множество реализаций определенных спектроскопических методов. Различные реализации и методы можно классифицировать по-разному.

Тип лучистой энергии

Типы спектроскопии различаются по типу излучательной энергии, участвующей во взаимодействии. Во многих приложениях спектр определяется путем измерения изменений интенсивности или частоты этой энергии. Изученные типы радиационной энергии включают:

Характер взаимодействия

Типы спектроскопии также можно различить по характеру взаимодействия энергии и материала. Эти взаимодействия включают:[5]

Тип материала

Спектроскопические исследования разработаны таким образом, чтобы лучистая энергия взаимодействовала с определенными типами материи.

Атомы

Атомная спектроскопия был первым разработанным приложением спектроскопии. Атомно-абсорбционная спектроскопия и атомно-эмиссионная спектроскопия задействовать видимый и ультрафиолетовый свет. Эти поглощения и выбросы, часто называемые атомными спектральными линиями, происходят из-за электронные переходы электронов внешней оболочки, когда они поднимаются и падают с одной электронной орбиты на другую. Атомы также имеют отчетливые рентгеновские спектры, которые объясняются возбуждением электронов внутренней оболочки в возбужденные состояния.

Атомы разных элементов имеют разные спектры, и поэтому атомная спектроскопия позволяет идентифицировать и количественно определять элементный состав образца. Изобретя спектроскоп, Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф открыли новые элементы, наблюдая за их спектрами излучения. Линии атомного поглощения наблюдаются в солнечном спектре и обозначаются как Линии фраунгофера после их первооткрывателя. Исчерпывающее объяснение водородный спектр был ранним успехом квантовой механики и объяснил Баранина сдвиг в спектре водорода, что в дальнейшем привело к развитию квантовая электродинамика.

Современные реализации атомной спектроскопии для изучения видимых и ультрафиолетовых переходов включают: пламенно-эмиссионная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой, спектроскопия тлеющего разряда, микроволновая плазма спектроскопия и искровая или дуговая эмиссионная спектроскопия. Методы изучения рентгеновских спектров включают: Рентгеновская спектроскопия и Рентгеновская флуоресценция.

Молекулы

Объединение атомов в молекулы приводит к созданию уникальных типов энергетических состояний и, следовательно, уникальных спектров переходов между этими состояниями. Молекулярные спектры могут быть получены за счет электронных спиновых состояний (электронный парамагнитный резонанс ), молекулярные вращения, молекулярная вибрация, и электронные состояния. Вращения - это коллективные движения атомных ядер, которые обычно приводят к спектрам в микроволновом и миллиметровом диапазонах спектра. Вращательная спектроскопия и микроволновая спектроскопия - синонимы. Колебания - это относительные движения атомных ядер, которые изучаются как в инфракрасном, так и в инфракрасном диапазоне. Рамановская спектроскопия. Электронные возбуждения изучаются методами видимой и ультрафиолетовой спектроскопии, а также флуоресцентная спектроскопия.

Исследования в области молекулярной спектроскопии привели к разработке первых мазер и способствовал последующему развитию лазер.

Кристаллы и расширенные материалы

Объединение атомов или молекул в кристаллы или другие расширенные формы приводит к созданию дополнительных энергетических состояний. Эти состояния многочисленны и поэтому имеют высокую плотность состояний. Эта высокая плотность часто делает спектры более слабыми и менее четкими, т.е. более широкими. Например, излучение черного тела возникает из-за теплового движения атомов и молекул внутри материала. Акустические и механические отклики также обусловлены коллективными движениями. Чистые кристаллы, однако, могут иметь отчетливые спектральные переходы, и их расположение также влияет на наблюдаемые молекулярные спектры. Регулярный решетчатая структура кристаллов также рассеивает рентгеновские лучи, электроны или нейтроны, что позволяет проводить кристаллографические исследования.

Ядра

Ядра также имеют различные энергетические состояния, которые широко разделены и приводят к гамма-луч спектры. Энергия различных спиновых состояний ядра может быть разделена магнитным полем, и это позволяет спектроскопия ядерного магнитного резонанса.

Другие типы

Другие типы спектроскопии отличаются конкретными приложениями или реализациями:

Приложения

UVES - спектрограф высокого разрешения на Очень большой телескоп.[16]
  • Мониторинг лечения из композиты с помощью оптические волокна.
  • Оцените время воздействия выветривания из древесины с помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне.[17]
  • Измерение различных соединений в образцах пищевых продуктов с помощью абсорбционной спектроскопии как в видимом, так и в инфракрасном спектре.
  • Измерение токсичных соединений в образцах крови
  • Неразрушающий элементный анализ методом Рентгеновская флуоресценция.
  • Исследование электронной структуры с помощью различных спектроскопов.

История

История спектроскопии началась с Исаак Ньютон оптические эксперименты (1666–1672). В соответствии с Эндрю Фракной и Дэвид Моррисон, "В 1672 году в первой статье, которую он представил в Королевское общество, Исаак Ньютон описал эксперимент, в котором он позволил солнечному свету проходить через маленькое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет, который нам кажется белым, на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги ».[18] Ньютон применил слово «спектр» для описания радуги цветов, которые объединяются, чтобы сформировать белый свет и которые раскрываются, когда белый свет проходит через призму.

Фракной и Моррисон утверждают, что «В 1802 г. Уильям Хайд Волластон построил улучшенный спектрометр с линзой для фокусировки солнечного спектра на экране. После использования Волластон понял, что цвета не были распределены равномерно, а вместо этого имели недостающие участки цвета, которые выглядели как темные полосы в спектре ».[18] В начале 1800-х годов Йозеф фон Фраунгофер добился экспериментальных успехов с дисперсионными спектрометрами, которые позволили спектроскопии стать более точным и количественным научным методом. С тех пор спектроскопия играла и продолжает играть важную роль в химии, физике и астрономии. Пер Фракной и Моррисон: «Позже, в 1815 году, немецкий физик Йозеф Фраунгофер также исследовал солнечный спектр и обнаружил около 600 таких темных линий (отсутствующие цвета), которые теперь известны как линии Фраунгофера или линии поглощения».[18][нужен лучший источник ]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Х. В. Крото, Спектры молекулярного вращения, Wiley, New York, 1975 (перепечатано Dover 1992)
  2. ^ Филип Р. Банкер и Пер Дженсен, Молекулярная симметрия и спектроскопия,NRC Research Press, Оттава, 1998 г. [1]ISBN  9780660196282
  3. ^ Д. Папушек и М. Р. Алиев, Молекулярные колебательно-вращательные спектры Эльзевир, Амстердам, 1982 г.
  4. ^ Э. Б. Уилсон, Дж. К. Дециус и П. К. Кросс, Молекулярные колебания, McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1955 (перепечатано Dover 1980)
  5. ^ а б Крауч, Стэнли; Скуг, Дуглас А. (2007). Принципы инструментального анализа. Австралия: Томсон Брукс / Коул. ISBN  978-0-495-01201-6.
  6. ^ Herrmann, R .; К. Онкелинкс (1986). «Величины и единицы в клинической химии: свойства небулайзера и пламени в эмиссии пламени и абсорбционной спектрометрии (Рекомендации 1986)». Чистая и прикладная химия. 58 (12): 1737–1742. Дои:10.1351 / pac198658121737. S2CID  96002955.
  7. ^ «Вкус ЭСПРЕССО». Получено 15 сентября 2015.
  8. ^ Mariani, Z .; Strong, K .; Wolff, M .; Rowe, P .; Walden, V .; Fogal, P. F .; Утка, Т .; Лесинс, Г .; Тернер, Д. С .; Cox, C .; Eloranta, E .; Drummond, J. R .; Рой, С .; Тернер, Д. Д .; Худак, Д .; Линденмайер, И. А. (2012). «Инфракрасные измерения в Арктике с использованием двух интерферометров излучения атмосферы». Атмос. Измер. Технология. 5 (2): 329–344. Bibcode:2012АМТ ..... 5..329М. Дои:10.5194 / амт-5-329-2012.
  9. ^ Evans, C.L .; Се, X.С. (2008). "Когерентная антистоксовая микроскопия комбинационного рассеяния: химическая визуализация для биологии и медицины". Ежегодный обзор аналитической химии. 1: 883–909. Bibcode:2008ARAC .... 1..883E. Дои:10.1146 / annurev.anchem.1.031207.112754. PMID  20636101.
  10. ^ В. Демтрёдер, Лазерная спектроскопия, 3-е изд. (Спрингер, 2003).
  11. ^ Брайан Орр; Дж. Г. Хауб; Y. Он; Р. Т. Уайт (2016). «Спектроскопические применения импульсных перестраиваемых оптических параметрических генераторов». В Ф. Ж. Дуарте (ред.). Настраиваемые лазерные приложения (3-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press. С. 17–142. ISBN  978-1-4822-6106-6.
  12. ^ Мюррей, Кермит К .; Бойд, Роберт К .; Eberlin, Marcos N .; Лэнгли, Дж. Джон; Ли, Лян; Найто, Ясухидэ (2013). «Определения терминов, относящихся к масс-спектрометрии (Рекомендации ИЮПАК 2013 г.)». Чистая и прикладная химия. 85 (7): 1. Дои:10.1351 / PAC-REC-06-04-06. ISSN  0033-4545.
  13. ^ Н. А. Синицын; Ю. В. Першин (2016). «Теория спектроскопии спиновых шумов: обзор». Отчеты о достижениях физики. 79 (10): 106501. arXiv:1603.06858. Bibcode:2016RPPh ... 79j6501S. Дои:10.1088/0034-4885/79/10/106501. PMID  27615689. S2CID  4393400.
  14. ^ Solli, D. R .; Chou, J .; Джалали, Б. (2008). «Усиленное преобразование длины волны во время для спектроскопии в реальном времени». Природа Фотоника. 2 (1): 48–51. Bibcode:2008НаФо ... 2 ... 48С. Дои:10.1038 / nphoton.2007.253.
  15. ^ Чжоу, Джейсон; Solli, Daniel R .; Джалали, Бахрам (2008). «Спектроскопия в реальном времени с субгигагерцовым разрешением с использованием усиленного дисперсионного преобразования Фурье». Письма по прикладной физике. 92 (11): 111102. arXiv:0803.1654. Bibcode:2008АпФЛ..92к1102С. Дои:10.1063/1.2896652. S2CID  53056467.
  16. ^ «Сообщение для СМИ: пресс-конференция, на которой будут объявлены основные результаты бразильских астрономов». Объявление ESO. Получено 21 августа 2013.
  17. ^ Ван, Сипин; Вакер, Джеймс П. (2006). «Использование NIR-спектроскопии для прогнозирования времени воздействия выветривания древесины» (PDF). WTCE 2006 - 9-я Всемирная конференция по деревообрабатывающей промышленности.
  18. ^ а б c Эндрю Фракной; Дэвид Моррисон (13 октября 2016 г.). "Астрономия OpenStax".

Рекомендации

внешняя ссылка