Электромагниттік спектрдегі сіңіру жолақтары: кванттық механика, энергия деңгейлері, атомдар мен молекулалардың күйлері. Физикалық құбылыс түсіндіріледі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электромагниттік спектрдегі диапазон
Range on the electromagnetic spectrum
Кванттық механикада сіңіру жолағы – заттың бастапқы күйінен соңғы күйіне өтуіне тән электромагниттік спектрдегі толқын ұзындықтары, жиіліктері немесе энергияларының диапазоны болып табылады. Кванттық механика бойынша атомдар мен молекулалар тек белгілі бір энергия мөлшерін ғана ұстай алады немесе нақты күйде болуы мүмкін. Электромагниттік сәулеленудің мұндай кванттары атом немесе молекулаға берілгенде немесе сіңірілгенде, сәулеленудің энергиясы атомның немесе молекуланың күйін бастапқы күйден соңғы күйге өзгертеді.
In quantum mechanics, an absorption band is a range of wavelengths, frequencies or energies in the electromagnetic spectrum that are characteristic of a particular transition from initial to final state in a substance. According to quantum mechanics, atoms and molecules can only hold certain defined quantities of energy, or exist in specific states. When such quanta of electromagnetic radiation are emitted or absorbed by an atom or molecule, energy of the radiation changes the state of the atom or molecule from an initial state to a final state.
Шолу
Электромагниттік сәулелену атом немесе молекулаға сіңірілген кезде, сәулелену энергиясы атомның немесе молекуланың күйін бастапқы күйден соңғы күйге өзгертеді. Газды немесе сұйылтылған жүйелердегі белгілі бір энергия диапазонындағы күйлердің саны дискретті болады, дискретті энергия деңгейлерімен сипатталады. Сұйықтар немесе қатты денелер сияқты конденсацияланған жүйелерде күйлердің тығыздығы үздіксіз болады және көбінесе үздіксіз энергия жолақтарына ие болады. Кез келген заттың энергиясын өзгерту үшін, ол фотонды сіңіру арқылы бірнеше "қадамдармен" өтуі керек. Бұл сіңіру процесі электрон сияқты бөлшекті толыққан күйден бос немесе бос емес күйге жылжытуы мүмкін. Сонымен қатар, ол молекула сияқты дірілдейтін немесе айналатын жүйені бір дірілдеу немесе айналу күйінен екіншісіне жылжытуы немесе қатты денеде фонон немесе плазмон сияқты квазибөлшекті құруы мүмкін.
When electromagnetic radiation is absorbed by an atom or molecule, the energy of the radiation changes the state of the atom or molecule from an initial state to a final state. The number of states in a specific energy range is discrete for gaseous or diluted systems, with discrete energy levels. Condensed systems, like liquids or solids, have a continuous density of states distribution and often possess continuous energy bands. In order for a substance to change its energy it must do so in a series of "steps" by the absorption of a photon. This absorption process can move a particle, like an electron, from an occupied state to an empty or unoccupied state. It can also move a whole vibrating or rotating system, like a molecule, from one vibrational or rotational state to another or it can create a quasiparticle like a phonon or a plasmon in a solid.
Электромагниттік ауысулар
Фотон сіңірілген кезде, фотонның электромагниттік өрісі жоғалады, себебі ол фотонды сіңіретін жүйенің күйін өзгертеді. Энергия, импульс, бұрыштық импульс, магниттік дипольдік момент және электрлік дипольдік момент фотоннан жүйеге тасымалданады. Сақталу заңдары орындалуы тиіс болғандықтан, көшу бірнеше шектеулерге бағынуы керек. Бұл таңдау ережелерінің қалыптасуына әкеледі. Байқалатын энергия немесе жиілік диапазонындағы кез келген көшу мүмкін емес. Электромагниттік сіңіру процесінің күшін негізінен екі фактор анықтайды. Біріншіден, жүйенің магниттік дипольдік моментін өзгертетін көшулер, электрлік дипольдік моментін өзгертетін көшулерге қарағанда әлдеқайда әлсіз, ал квадрупольдік көшулер сияқты жоғары реттік моменттерге көшулер дипольдік көшулерден әлсіз болады. Екіншіден, барлық көшулер бірдей көшу матрицалық элементіне, сіңіру коэффициентіне немесе осцилляторлық күшке ие болмайды. Кейбір спектрлік жолақтар немесе спектроскопиялық салалар үшін температура және статистикалық механика маңызды рөл атқарады. (Алыс) инфрақызыл, микротолқындық және радиожиілік диапазондары үшін температураға тәуелді күйлердің толтырылу саны және Бозе-Эйнштейн статистикасы мен Ферми-Дирак статистикасы арасындағы айырмашылық байқалатын сіңірудің қарқындылығын анықтайды. Басқа энергия диапазондары үшін Доплер кеңеюі сияқты жылулық қозғалыс әсерлері сызық енін анықтауы мүмкін.
When a photon is absorbed, the electromagnetic field of the photon disappears as it initiates a change in the state of the system that absorbs the photon. Energy, momentum, angular momentum, magnetic dipole moment and electric dipole moment are transported from the photon to the system. Because there are conservation laws, that have to be satisfied, the transition has to meet a series of constraints. This results in a series of selection rules. It is not possible to make any transition that lies within the energy or frequency range that is observed. The strength of an electromagnetic absorption process is mainly determined by two factors. First, transitions that only change the magnetic dipole moment of the system are much weaker than transitions that change the electric dipole moment and that transitions to higher order moments, like quadrupole transitions, are weaker than dipole transitions. Second, not all transitions have the same transition matrix element, absorption coefficient or oscillator strength. For some types of bands or spectroscopic disciplines temperature and statistical mechanics plays an important role. For (far) infrared, microwave and radio frequency ranges the temperature dependent occupation numbers of states and the difference between Bose Einstein statistics and Fermi Dirac statistics determines the intensity of observed absorptions. For other energy ranges thermal motion effects, like Doppler broadening may determine the linewidth.
Торап және сызық пішіні
Абсорбция жолақтары мен сызықтарының алуан түрлері бар, ал жолақты немесе сызықты талдау арқылы оны тудыратын жүйе туралы мәліметтерді анықтауға болады. Көп жағдайда тар спектрлік сызық, ыдырау механизміне немесе Доплер кеңеюі сияқты температуралық әсерлерге байланысты, Лоренц немесе Гаусс түрінде болады деп есептеу ыңғайлы. Спектрлік тығыздық пен спектральдық сызықтардың қарқындылығын, енін және пішінін талдау кейде Моссбауэр спектрлері арқылы жүзеге асырылатындай, байқалатын жүйе туралы көп ақпарат бере алады. Макромолекулалар және ірі конъюгацияланған жүйелер сияқты көптеген күйлері бар жүйелерде сіңіру спектрінде жеке энергия деңгейлерін әрқашан ажырату мүмкін болмайды. Егер сызық кеңею механизмі белгілі болса және спектрде спектрлік тығыздықтың пішіні анық көрінсе, қажетті деректерді алуға болады. Кейде талдау үшін жолақтың ең төменгі немесе ең жоғарғы шектерін немесе оның орналасқан жерін білу жеткілікті. Қатты денелер мен конденсатталған заттар үшін сіңіру жолақтарының пішіні көбінесе олардың үздіксіз күйлер тығыздығындағы күйлер арасындағы өтулермен анықталады. Кристаллдар үшін электрондық жолақтың құрылымы күйлердің тығыздығын анықтайды. Сұйықтықтарда, шыныларда және аморфты қатты денелерде ұзақ қашықтықтағы корреляция болмайды және дисперсиялық қатынастар изотропты болып табылады. Зарядты тасымалдау кешендері мен конъюгацияланған жүйелер үшін жолақтың ені конденсатталған заттармен салыстырғанда түрлі факторлармен күрделенеді.
A wide variety of absorption band and line shapes exist, and the analysis of the band or line shape can be used to determine information about the system that causes it. In many cases it is convenient to assume that a narrow spectral line is a Lorentzian or Gaussian, depending respectively on the decay mechanism or temperature effects like Doppler broadening. Analysis of the spectral density and the intensities, width and shape of spectral lines sometimes can yield a lot of information about the observed system like it is done with Mössbauer spectra. In systems with a very large number of states like macromolecules and large conjugated systems the separate energy levels can't always be distinguished in an absorption spectrum. If the line broadening mechanism is known and the shape of then spectral density is clearly visible in the spectrum, it is possible to get the desired data. Sometimes it is enough to know the lower or upper limits of the band or its position for an analysis. For condensed matter and solids the shape of absorption bands are often determined by transitions between states in their continuous density of states distributions. For crystals, the electronic band structure determines the density of states. In fluids, glasses and amorphous solids, there is no long range correlation and the dispersion relations are isotropic. For charge transfer complexes and conjugated systems, the band width is complicated by a variety of factors, compared to condensed matter.
Электрондық ауысулар
Атомдардағы, молекулалардағы және конденсирленген заттардағы электромагниттік өтулер көбінесе спектрдің ультракөк және көрінетін бөлігіне сәйкес келетін энергияларда жүзеге асады. Атомдардың ішкі электрон қабаттарындағы электрондар және көптеген басқа да құбылыстар рентген сәулелерінің энергия диапазонында әртүрлі XAS түрлері арқылы байқалады. Моссбауэр спектроскопиясымен байқалатын атом ядроларындағы электромагниттік өтулер спектрдің гамма сәулелі бөлігінде өтеді. Молекулалық қатты денедегі сіңіру жолағына спектрлік сызықтың кеңеюіне себеп болатын негізгі факторлар – сынамадағы молекулалардың діріл және айналу энергияларының (сондай-ақ олардың қоздырылған күйлерінің) таралуы. Қатты кристалдарда сіңіру жолақтарының пішіні кристалл құрылымындағы электрондық күйлердің бастапқы және соңғы күйлерінің тығыздығымен немесе фонондар деп аталатын кристалдық тордың дірілісімен анықталады. Газ фазалық спектроскопияда осы факторлардың нәтижесінде пайда болатын жіңішке құрылымды көруге болады, бірақ ерітіндідегі спектроскопияда молекулалық микроортаның өзгешеліктері құрылымды одан әрі кеңейтіп, тегіс жолақтарға әкеледі. Молекулалардың электрондық өту жолақтарының ені оннан бірнеше жүз нанометрге дейін болуы мүмкін.
Electromagnetic transitions in atoms, molecules and condensed matter mainly take place at energies corresponding to the UV and visible part of the spectrum. Core electrons in atoms, and many other phenomena, are observed with different brands of XAS in the X ray energy range. Electromagnetic transitions in atomic nuclei, as observed in Mössbauer spectroscopy, take place in the gamma ray part of the spectrum. The main factors that cause broadening of the spectral line into an absorption band of a molecular solid are the distributions of vibrational and rotational energies of the molecules in the sample (and also those of their excited states). In solid crystals the shape of absorption bands are determined by the density of states of initial and final states of electronic states or lattice vibrations, called phonons, in the crystal structure. In gas phase spectroscopy, the fine structure afforded by these factors can be discerned, but in solution state spectroscopy, the differences in molecular micro environments further broaden the structure to give smooth bands. Electronic transition bands of molecules may be from tens to several hundred nanometers in breadth.
Дәрелістік ауысулар
Дірілдеу ауысулары және оптикалық фонондық ауысулар спектрдің инфрақызыл бөлігінде, шамамен 1,30 микрометр толқын ұзындығында жүзеге асады.
Vibrational transitions and optical phonon transitions take place in the infrared part of the spectrum, at wavelengths of around 1 30 micrometres.
Ротациялық ауысулар
Ротациялық өтулер алыс инфрақызыл және микротолқынды аймақтарда жүзеге асады.
Rotational transitions take place in the far infrared and microwave regions.
Басқа ауысулар
Ядролық магниттік резонанс спектроскопиясында радиожиілік диапазонында сіңіру жолақтары табылады. Жиілік диапазондары мен қарқындылығы байқалатын ядролардың магниттік моментімен, қолданылатын магниттік өріс күшімен және магниттік күйлердің температуралық толтырылуындағы айырмашылықтармен анықталады.
Absorption bands in the radio frequency range are found in NMR spectroscopy. The frequency ranges and intensities are determined by the magnetic moment of the nuclei that are observed, the applied magnetic field and temperature occupation number differences of the magnetic states.
Қолданбалар
Пигменттерде, бояуларда және оптикалық сүзгілерде кең сіңіру жолақтарына ие материалдар қолданылады. Титан диоксиді, мырыш оксиді және хромофорлар күннен қорғау кремдерінде ультракүлгін сәулелерді сіңіретін және шағылыстыратын заттар ретінде қолданылады.
Materials with broad absorption bands are being applied in pigments, dyes and optical filters. Titanium dioxide, zinc oxide and chromophores are applied as UV absorbers and reflectors in sunscreen.