Введение

Исследование, включающее материю и электромагнитное излучение

Спектроскопия – это область науки, изучающая измерение и интерпретацию электромагнитных спектров.

Введение

Спектроскопия – это раздел науки, изучающий спектры электромагнитного излучения в зависимости от длины волны или частоты, измеряемые с помощью спектрографического оборудования и других методов, для получения информации о структуре и свойствах вещества. Устройства для измерения спектров называются спектрометрами, спектрофотометрами, спектрографами или спектральными анализаторами. Большинство спектроскопических исследований в лаборатории начинается с образца, подлежащего анализу, затем выбирается источник света из желаемого диапазона спектра, свет проходит через образец в диспергирующий элемент (дифракционную решетку) и регистрируется фотодиодом. Для астрономических наблюдений телескоп должен быть оснащен устройством для разделения света. Существуют различные варианты этой базовой схемы. Спектроскопия берет начало в работах Исаака Ньютона, разложившего свет при помощи призмы – ключевой момент в развитии современной оптики. Изначально изучался видимый свет, который мы называем цветом, а позднее, благодаря исследованиям Джеймса Клерка Максвелла, в сферу спектроскопии вошел весь электромагнитный спектр. Хотя цвет играет роль в спектроскопии, он не отождествляется с цветом элементов или объектов, который возникает из-за поглощения и отражения определенных электромагнитных волн, создающих цветовое восприятие. Скорее, спектроскопия предполагает разделение света при помощи призмы, дифракционной решетки или аналогичного прибора, в результате чего получается характерный дискретный линейчатый рисунок – «спектр», уникальный для каждого элемента. Большинство элементов предварительно переводят в газообразное состояние для изучения их спектров, хотя сегодня существуют и другие методы для работы с различными фазами. Каждый элемент, дифрагированный при помощи призмы или подобного прибора, демонстрирует либо спектр поглощения, либо спектр излучения, в зависимости от того, охлаждается или нагревается элемент. До недавнего времени спектроскопия в основном сводилась к изучению линейчатых спектров, и большинство исследований до сих пор проводятся таким образом. Вибрационная спектроскопия – это раздел спектроскопии, изучающий спектры колебаний. Однако, новейшие разработки в спектроскопии иногда позволяют обходиться без метода дисперсии. В биохимической спектроскопии информация о биологических тканях может быть получена с помощью методов поглощения и рассеяния света. Спектроскопия рассеяния света – это разновидность спектроскопии отражения, которая определяет структуру тканей путем изучения упругого рассеяния. В этом случае именно ткань выступает в качестве механизма дифракции или дисперсии. Спектроскопические исследования сыграли центральную роль в развитии квантовой механики, поскольку первые полезные атомные модели описывали спектры водорода, включая модель Бора, уравнение Шредингера и матричную механику, которые способны воспроизводить спектральные линии водорода, тем самым закладывая основу для дискретных квантовых переходов, соответствующих дискретному спектру водорода. Кроме того, объяснение излучения абсолютно черного тела, предложенное Максом Планком, было связано со спектроскопией, поскольку он сравнивал длину волны света, измеряемую с помощью фотометра, с температурой черного тела. Спектроскопия используется в физической и аналитической химии, поскольку атомы и молекулы имеют уникальные спектры. Следовательно, эти спектры можно использовать для обнаружения, идентификации и количественного определения атомов и молекул. Спектроскопия также применяется в астрономии и дистанционном зондировании Земли. Большинство исследовательских телескопов оснащены спектрографами. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физических свойств астрономических объектов (таких как температура, плотность элементов в звезде, скорость, черные дыры и многое другое). Важное применение спектроскопии – биохимия. Молекулярные образцы могут быть проанализированы для идентификации видов и определения энергетического содержания.

Теория

Основной принцип спектроскопии заключается в том, что свет состоит из различных длин волн, и каждая длина волны соответствует определенной частоте. Значимость спектроскопии обусловлена тем, что каждый элемент в периодической таблице обладает уникальным световым спектром, описываемым частотами света, которые он излучает или поглощает, последовательно проявляясь в одной и той же области электромагнитного спектра при дифракции этого света. Это открыло целую область исследований для всего, что содержит атомы, то есть всей материи. Спектроскопия является ключом к пониманию атомных свойств всей материи. Таким образом, спектроскопия породила множество новых, ранее не существовавших, областей науки. Идея о том, что каждый атомный элемент имеет свою уникальную спектральную характеристику, позволила применять спектроскопию в широком спектре областей, каждая из которых преследует конкретную цель с помощью различных спектроскопических методов. Национальный институт стандартов и технологий поддерживает общедоступную базу данных атомных спектров, которая постоянно обновляется точными измерениями. Расширение области спектроскопии связано с тем, что для анализа образца может быть использована любая часть электромагнитного спектра – от инфракрасного до ультрафиолетового, предоставляя ученым различную информацию об одном и том же образце. Например, в химическом анализе наиболее распространенными типами спектроскопии являются атомная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, ультрафиолетовая и видимая спектроскопия, спектроскопия Рамана и ядерный магнитный резонанс. В ядерном магнитном резонансе (ЯМР) теоретической основой является аналогия между частотой и резонансом, а также соответствующей резонансной частотой. Резонансы по частоте впервые были изучены в механических системах, таких как маятники, которые имеют частоту колебаний, хорошо известную благодаря работам Галилея.

Классификация методов

Спектроскопия – достаточно обширная область, включающая множество подразделов, каждый из которых имеет многочисленные реализации конкретных спектроскопических техник. Различные реализации и техники можно классифицировать несколькими способами.

Тип излучения

Типы спектроскопии различаются по типу радиационной энергии, участвующей во взаимодействии. Во многих приложениях спектр определяется путем измерения изменений интенсивности или частоты этой энергии. Изучаемые типы радиационной энергии включают: Электромагнитное излучение было первым источником энергии, использованным в спектроскопических исследованиях. Методы, использующие электромагнитное излучение, обычно классифицируются по области длин волн спектра и включают микроволновую, терагерцовую, инфракрасную, ближнюю инфракрасную, ультрафиолетово-видимую, рентгеновскую и гамма-спектроскопию. Частицы, благодаря своим волнам де Бройля, также могут служить источником радиационной энергии. Широко используются электронная и нейтронная спектроскопия. Для частицы ее кинетическая энергия определяет длину волны. Акустическая спектроскопия связана с излучением волн давления. Динамический механический анализ может применяться для передачи энергии, подобной акустическим волнам, твердым материалам.

Характер взаимодействия

Типы спектроскопии также можно различать по характеру взаимодействия между энергией и веществом. Эти взаимодействия включают: Спектроскопия поглощения: поглощение происходит, когда энергия от источника излучения поглощается веществом. Поглощение часто определяют, измеряя долю энергии, прошедшей через вещество, при этом поглощение уменьшает прошедшую часть. Эмиссионная спектроскопия: эмиссия указывает на то, что вещество излучает энергию. Спектр абсолютно черного тела – это спектр спонтанного излучения, определяемый его температурой. Эта характеристика может быть измерена в инфракрасном диапазоне приборами, такими как атмосферный излучатель-интерферометр. Излучение также может быть вызвано другими источниками энергии, такими как пламя, искры, электрические дуги или электромагнитное излучение, как в случае флуоресценции. Спектроскопия упругого рассеяния и отражения определяет, как падающее излучение отражается или рассеивается веществом. Кристаллография использует рассеяние высокоэнергетического излучения, такого как рентгеновские лучи и электроны, для изучения расположения атомов в белках и твердых кристаллах. Импедансная спектроскопия: импеданс – это способность среды препятствовать или замедлять прохождение энергии. Для оптических применений это характеризуется показателем преломления. Неупругие явления рассеяния включают обмен энергией между излучением и веществом, что приводит к сдвигу длины волны рассеянного излучения. К ним относятся рассеяние Рамана и Комптона. Когерентная или резонансная спектроскопия – это методы, в которых излучающая энергия связывает два квантовых состояния вещества в когерентном взаимодействии, поддерживаемом излучающим полем. Когерентность может нарушаться другими взаимодействиями, такими как столкновения частиц и передача энергии, поэтому для поддержания часто требуется излучение высокой интенсивности. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – широко используемый резонансный метод, а ультрабыстрая лазерная спектроскопия также возможна в инфракрасной и видимой областях спектра. Ядерная спектроскопия – это методы, использующие свойства конкретных ядер для исследования локальной структуры вещества, в основном конденсированного вещества, молекул в жидкостях или замороженных жидкостях и биомолекул. Квантовая логическая спектроскопия – это общий метод, используемый в ионных ловушках, который позволяет проводить прецизионную спектроскопию ионов со сложной внутренней структурой, препятствующей лазерному охлаждению, манипулированию состоянием и обнаружению. Квантовые логические операции позволяют управляемому иону обмениваться информацией с ко-захваченным ионом, имеющим сложную или неизвестную электронную структуру.

Тип материала

Спектроскопические исследования проводятся таким образом, чтобы излучаемая энергия взаимодействовала с конкретными типами вещества.

Атомы

Первым применением спектроскопии была атомная спектроскопия. Спектроскопия атомного поглощения и атомная эмиссионная спектроскопия используют видимый и ультрафиолетовый свет. Эти поглощения и излучения, часто называемые атомными спектральными линиями, обусловлены электронными переходами электронов внешней оболочки при переходе с одной электронной орбиты на другую. Атомы также имеют собственные рентгеновские спектры, связанные с возбуждением электронов внутренних оболочек до возбужденных состояний. Атомы различных элементов имеют уникальные спектры, поэтому атомная спектроскопия позволяет идентифицировать и количественно определить элементарный состав образца. После изобретения спектроскопа Роберт Бунсен и Густав Кирхгофф открыли новые элементы, наблюдая их спектры излучения. Линии атомного поглощения наблюдаются в солнечном спектре и называются линиями Фраунгофера в честь их первооткрывателя. Полное объяснение спектра водорода стало одним из первых успехов квантовой механики и объяснило сдвиг Лэмба, наблюдаемый в спектре водорода, что впоследствии привело к развитию квантовой электродинамики. Современные методы атомной спектроскопии для изучения видимых и ультрафиолетовых переходов включают спектроскопию эмиссии в пламени, атомно-эмиссионную спектроскопию с индуктивно связанной плазмой, спектроскопию эмиссии в свечении, спектроскопию плазмы, индуцированной микроволнами, и спектроскопию эмиссии искры или дуги. Методы изучения рентгеновских спектров включают рентгеновскую спектроскопию и рентгеновскую флуоресценцию.

Молекулы

Сочетание атомов в молекулы приводит к созданию уникальных типов энергетических состояний и, следовательно, уникальных спектров переходов между этими состояниями. Молекулярные спектры могут быть получены благодаря электронным спиновым состояниям (электронному парамагнитному резонансу), молекулярным вращениям, молекулярным колебаниям и электронным состояниям. Вращения – это коллективные движения атомных ядер и обычно приводят к спектрам в микроволновом и миллиметровом волновых диапазонах. Ротационная спектроскопия и микроволновая спектроскопия – это синонимы. Колебания – это относительные движения атомных ядер, которые изучаются методами инфракрасной и рамановской спектроскопии. Электронные возбуждения изучаются с помощью видимой и ультрафиолетовой спектроскопии, а также флуоресцентной спектроскопии. Исследования в области молекулярной спектроскопии привели к созданию первого мазера и внесли вклад в последующую разработку лазера.

Кристаллы и расширенные материалы

Сочетание атомов или молекул в кристаллы или другие протяженные формы приводит к образованию дополнительных энергетических состояний. Эти состояния многочисленны и, следовательно, характеризуются высокой плотностью состояний. Эта высокая плотность часто делает спектры менее интенсивными и размытыми, то есть более широкими. Например, излучение абсолютно черного тела обусловлено тепловым движением атомов и молекул внутри материала. Акустические и механические свойства также определяются коллективными движениями. Однако, чистые кристаллы могут демонстрировать четкие спектральные переходы, а кристаллическая структура также оказывает влияние на наблюдаемые молекулярные спектры. Регулярная кристаллическая решетка также рассеивает рентгеновские лучи, электроны или нейтроны, что позволяет проводить кристаллографические исследования.

Ядра

Ядра также обладают дискретными энергетическими уровнями, которые значительно различаются и приводят к гамма-спектрам. Различные состояния ядерного спина могут разделяться магнитным полем, что позволяет проводить спектроскопию ядерного магнитного резонанса.

История

История спектроскопии началась с оптических экспериментов Исаака Ньютона (1666–1672). По словам Эндрю Фракноя и Дэвида Моррисона, "в 1672 году в первой статье, представленной Королевскому обществу, Исаак Ньютон описал эксперимент, в котором он пропустил солнечный свет через небольшое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет, кажущийся нам белым, на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги". Ньютон использовал слово "спектр" для описания радуги цветов, которые объединяются, образуя белый свет и проявляются при прохождении белого света через призму. Фракной и Моррисон утверждают, что "в 1802 году Уильям Хайд Волластон построил усовершенствованный спектрометр, включавший линзу для фокусировки солнечного спектра на экране. При использовании Волластон заметил, что цвета распределены не равномерно, а вместо этого присутствуют пропуски в цветовой гамме, проявляющиеся как темные полосы в спектре". В начале 1800-х годов Йозеф фон Фраунгофер внес экспериментальные улучшения в дисперсионные спектрометры, что позволило спектроскопии стать более точным и количественным научным методом. С тех пор спектроскопия играет и продолжает играть значительную роль в химии, физике и астрономии. По словам Фракноя и Моррисона, "позже, в 1815 году, немецкий физик Йозеф Фраунгофер также исследовал солнечный спектр и обнаружил около 600 таких темных линий (отсутствующих цветов), которые теперь известны как линии Фраунгофера, или линии поглощения". В квантово-механических системах аналогичный резонанс представляет собой связь двух квантово-механических стационарных состояний одной системы, например, атома, посредством осциллирующего источника энергии, такого как фотон. Связь между двумя состояниями наиболее сильна, когда энергия источника соответствует разнице энергий между этими состояниями. Энергия E фотона связана с его частотой ν соотношением где h – постоянная Планка, следовательно, спектр отклика системы в зависимости от частоты фотона достигнет максимума при резонансной частоте или энергии. Частицы, такие как электроны и нейтроны, имеют аналогичную связь, соотношения де Бройля, между их кинетической энергией и их длиной волны и частотой, и поэтому также могут вызывать резонансные взаимодействия. Спектры атомов и молекул часто состоят из ряда спектральных линий, каждая из которых представляет собой резонанс между двумя различными квантовыми состояниями. Объяснение этих серий и связанных с ними спектральных закономерностей было одной из экспериментальных загадок, способствовавших развитию и принятию квантовой механики. Спектральные серии водорода в частности впервые были успешно объяснены квантовой моделью атома водорода Резерфорда-Бора. В некоторых случаях спектральные линии хорошо разделены и различимы, но спектральные линии также могут перекрываться и казаться одним переходом, если плотность энергетических состояний достаточно высока. Известные серии линий включают в себя основные, острые, диффузные и фундаментальные серии.