stringtranslate.com

Спектроскопия

Пример спектроскопии: призма анализирует белый свет, рассеивая его на составляющие цвета.

Спектроскопия — это область исследований, которая измеряет и интерпретирует электромагнитные спектры . [1] [2] В более узком контексте спектроскопия — это точное исследование цвета в обобщенном виде от видимого света до всех диапазонов электромагнитного спектра.

Спектроскопия, прежде всего в электромагнитном спектре, является фундаментальным исследовательским инструментом в области астрономии , химии , материаловедения и физики , позволяющим исследовать состав, физическую структуру и электронную структуру материи на атомном, молекулярном и макроуровне. и на астрономические расстояния .

Исторически спектроскопия возникла как исследование зависимости от длины волны поглощения веществом газовой фазы видимого света, рассеянного призмой . Текущие применения спектроскопии включают биомедицинскую спектроскопию в области анализа тканей и медицинской визуализации . Волны материи и акустические волны также можно считать формами радиационной энергии, а недавно гравитационные волны были связаны со спектральной сигнатурой в контексте Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). [3]

Введение

Спектроскопия — это раздел науки, изучающий спектры электромагнитного излучения в зависимости от его длины волны или частоты, измеряемые с помощью спектрографического оборудования и других методов с целью получения информации о структуре и свойствах материи. [4] Устройства для спектральных измерений называются спектрометрами , спектрофотометрами , спектрографами или спектральными анализаторами . Большинство спектроскопических анализов в лаборатории начинается с анализируемого образца, затем выбирается источник света из любого желаемого диапазона светового спектра, затем свет проходит через образец на дисперсионную решетку (прибор с дифракционной решеткой) и улавливается фотодиодом . . Для астрономических целей телескоп должен быть оснащен светорассеивающим устройством. Могут использоваться различные версии этой базовой установки.

Спектроскопия началась с того, что Исаак Ньютон разделил свет с помощью призмы; Ключевой момент в развитии современной оптики . [5] Таким образом, первоначально изучение видимого света, который мы называем цветом , позже, в ходе исследований Джеймса Клерка Максвелла, стало включать в себя весь электромагнитный спектр . [6] Хотя цвет участвует в спектроскопии, он не приравнивается к цвету элементов или объектов, которые включают поглощение и отражение определенных электромагнитных волн, придающих объектам ощущение цвета в наших глазах. Скорее, спектроскопия включает в себя расщепление света призмой, дифракционной решеткой или подобным инструментом, чтобы выделить определенный дискретный рисунок линий, называемый «спектром», уникальный для каждого типа элемента. Большинство элементов сначала переводятся в газовую фазу, чтобы можно было исследовать спектры, хотя сегодня для разных фаз можно использовать и другие методы. Каждый элемент, дифрагированный призменным инструментом, отображает либо спектр поглощения, либо спектр излучения в зависимости от того, охлаждается или нагревается элемент. [7]

До недавнего времени вся спектроскопия включала изучение линейчатых спектров, и большая часть спектроскопии занимается этим до сих пор. [8] Колебательная спектроскопия — это раздел спектроскопии, изучающий спектры. [9] Однако последние разработки в области спектроскопии иногда позволяют обойтись без метода дисперсии. В биохимической спектроскопии информацию о биологической ткани можно собрать с помощью методов поглощения и рассеяния света. Спектроскопия светорассеяния — это тип спектроскопии отражения, который определяет структуры тканей путем изучения упругого рассеяния. [10] В таком случае именно ткань действует как механизм дифракции или дисперсии.

Спектроскопические исследования сыграли центральную роль в развитии квантовой механики , потому что первые полезные атомные модели описывали спектры водорода. Эти модели включают модель Бора , уравнение Шредингера и матричную механику , которые все могут создавать спектральные линии водорода , обеспечивая тем самым основу. для дискретных квантовых скачков, соответствующих дискретному спектру водорода. Кроме того, объяснение Максом Планком излучения черного тела включало спектроскопию, поскольку он сравнивал длину волны света с помощью фотометра с температурой черного тела . [11] Спектроскопия используется в физической и аналитической химии , поскольку 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 астрономии и дистанционном зондировании Земли. Большинство исследовательских телескопов оснащены спектрографами. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физических свойств астрономических объектов (таких как их температура , плотность элементов в звезде, скорость , черные дыры и многое другое). [12] Важным применением спектроскопии является биохимия. Молекулярные образцы можно анализировать на предмет идентификации видов и содержания энергии. [13]

Теория

Основная предпосылка спектроскопии заключается в том, что свет состоит из разных длин волн и что каждая длина волны соответствует различной частоте. Важность спектроскопии основана на том факте, что каждый элемент в таблице Менделеева имеет уникальный световой спектр, описываемый частотами света, который он излучает или поглощает, постоянно появляясь в одной и той же части электромагнитного спектра, когда этот свет дифрагируется. Это открыло целую область исследований всего, что содержит атомы и является материей. Спектроскопия — ключ к пониманию атомных свойств всей материи. Таким образом, спектроскопия открыла множество новых, еще не открытых областей науки. Идея о том, что каждый атомный элемент имеет свою уникальную спектральную характеристику, позволила использовать спектроскопию в широком ряде областей, каждая из которых преследует определенную цель, достигаемую с помощью различных спектроскопических процедур. Национальный институт стандартов и технологий ведет общедоступную базу данных атомных спектров, которая постоянно пополняется точными измерениями. [14]

Расширение области спектроскопии связано с тем, что для анализа образца можно использовать любую часть электромагнитного спектра, от инфракрасного до ультрафиолетового, сообщая ученым различные свойства одного и того же образца. Например, в химическом анализе наиболее распространенные типы спектроскопии включают атомную спектроскопию, инфракрасную спектроскопию, ультрафиолетовую и видимую спектроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света и ядерный магнитный резонанс . [15] Теория ядерного магнитного резонанса (ЯМР) заключается в том, что частота аналогична резонансу и соответствующей ему резонансной частоте. Резонансы по частоте были впервые охарактеризованы в механических системах, таких как маятники , частота движения которых была отмечена Галилеем . [16]

Классификация методов

Огромная дифракционная решетка лежит в основе сверхточного спектрографа ЭСПРЕССО . [17]

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

Тип лучистой энергии

Виды спектроскопии различаются по типу энергии излучения, участвующей во взаимодействии. Во многих приложениях спектр определяется путем измерения изменений интенсивности или частоты этой энергии. Изученные типы лучистой энергии включают в себя:

Характер взаимодействия

Виды спектроскопии различают также по характеру взаимодействия энергии и вещества. Эти взаимодействия включают в себя: [2]

Тип материала

Спектроскопические исследования построены таким образом, что лучистая энергия взаимодействует с конкретными видами материи.

Атомы

Таблица сравнения атомных спектров из «Spektroskopische Methoden der analytischen Chemie» (1922).

Атомная спектроскопия была первым применением спектроскопии. Атомно-абсорбционная спектроскопия и атомно-эмиссионная спектроскопия используют видимый и ультрафиолетовый свет. Эти поглощения и излучения, часто называемые атомными спектральными линиями, происходят из-за электронных переходов 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 оценить элементный состав образца. После изобретения спектроскопа Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф открыли новые элементы, наблюдая их спектры излучения. Линии атомного поглощения наблюдаются в солнечном спектре и называются линиями Фраунгофера по имени их первооткрывателя. Всестороннее объяснение спектра водорода стало ранним успехом квантовой механики и объяснило лэмбовский сдвиг , наблюдаемый в спектре водорода, что в дальнейшем привело к развитию квантовой электродинамики .

Современные реализации атомной спектроскопии для изучения видимых и ультрафиолетовых переходов включают пламенно-эмиссионную спектроскопию , атомно-эмиссионную спектроскопию с индуктивно связанной плазмой , спектроскопию тлеющего разряда , спектроскопию микроволново-индуцированной плазмы и искровую или дуговую эмиссионную спектроскопию. Методы изучения рентгеновских спектров включают рентгеновскую спектроскопию и рентгеновскую флуоресценцию .

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 благодаря электронным спиновым состояниям ( электронный парамагнитный резонанс ), молекулярным вращениям , молекулярным колебаниям и электронным состояниям. Вращения представляют собой коллективные движения атомных ядер и обычно приводят к появлению спектров в микроволновой и миллиметровой областях спектра. Ротационная спектроскопия и микроволновая спектроскопия являются синонимами. Колебания представляют собой относительные движения атомных ядер и изучаются методами инфракрасной и рамановской спектроскопии . Электронные возбуждения изучаются методами видимой и ультрафиолетовой спектроскопии, а также флуоресцентной спектроскопии . [2] [19] [20] [21] [22]

Исследования в области молекулярной спектроскопии привели к созданию первого мазера и способствовали последующему развитию лазера .

Кристаллы и расширенные материалы

Объединение атомов или молекул в кристаллы или другие протяженные формы приводит к созданию дополнительных энергетических состояний. Эти государства многочисленны и поэтому имеют высокую плотность состояний. Эта высокая плотность часто делает спектры более слабыми и менее отчетливыми, т. е. более широкими. Например, излучение черного тела обусловлено тепловым движением атомов и молекул внутри материала. Акустические и механические реакции также обусловлены коллективными движениями. Однако чистые кристаллы могут иметь отчетливые спектральные переходы, и расположение кристаллов также влияет на наблюдаемые молекулярные спектры. Регулярная структура решетки 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 появлению спектров гамма-излучения . Энергии различных ядерных спиновых состояний могут быть разделены магнитным полем, и это позволяет использовать спектроскопию ядерного магнитного резонанса .

Другие типы

Другие типы спектроскопии отличаются конкретными приложениями или реализациями:

Приложения

UVES — спектрограф высокого разрешения на Очень Большом Телескопе . [31]

Существует несколько применений спектроскопии в области медицины, физики, химии и астрономии. Используя свойства поглощения и астрономического излучения, спектроскопию можно использовать для идентификации определенных состояний природы. Использование спектроскопии в стольких различных областях и для стольких различных приложений привело к появлению специальных научных подотраслей. К таким примерам относятся:

История

История спектроскопии началась с оптических экспериментов Исаака Ньютона (1666–1672). По словам Эндрю Фракноя и Дэвида Моррисона : «В 1672 году в первой статье, которую он представил Королевскому обществу , Исаак Ньютон описал эксперимент, в котором он позволял солнечному свету проходить через небольшое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет , который нам кажется белым, на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги». [38] Ньютон применил слово «спектр» для описания радуги цветов, которые объединяются, образуя белый свет и проявляющиеся, когда белый свет проходит через призму.

Фракной и Моррисон заявляют, что «В 1802 году Уильям Хайд Волластон построил улучшенный спектрометр, который включал линзу для фокусировки спектра Солнца на экране. которые проявлялись в виде темных полос в спектре». [38] В начале 1800-х годов Йозеф фон Фраунгофер добился экспериментальных успехов в области дисперсионных спектрометров, которые позволили спектроскопии стать более точным и количественным научным методом. С тех пор спектроскопия играла и продолжает играть значительную роль в химии, физике и астрономии. Согласно Фракной и Моррисону: «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». [38] [ нужен лучший источник ]

В квантово-механических системах аналогичный резонанс представляет собой соединение двух квантово-механических стационарных состояний 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 E фотона связана с его частотой ν соотношением E = hν , где h — постоянная Планка , и поэтому спектр реакции системы в зависимости от частоты фотона будет иметь максимум на резонансной частоте или энергии. Частицы, такие как электроны и нейтроны , имеют сопоставимую связь, соотношения де Бройля , между их кинетической энергией, длиной волны и частотой и, следовательно, также могут возбуждать 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 рядов и связанных с ними спектральных закономерностей было одной из экспериментальных загадок, которые способствовали развитию и принятию квантовой механики. В частности, спектральный ряд водорода был впервые успешно объяснен с помощью квантовой модели атома водорода Резерфорда – Бора . В некоторых случаях спектральные линии хорошо разделены и различимы, но спектральные линии также могут перекрываться и представлять собой один переход, если плотность энергетических состояний достаточно высока. К названным сериям линий относятся главная , резкая , размытая и основная серия .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Дакетт, Саймон; Гилберт, Брюс (2000). Основы спектроскопии . Оксфордские научные публикации. ISBN 978-0198503354.
  2. ^ abc Крауч, Стэнли Р.; Скуг, Дуглас А.; Холлер, Ф.Дж. (2007). Принципы инструментального анализа. Австралия: Томсон Брукс/Коул. ISBN 9780495012016.
  3. ^ Бартусяк, Марсия (27 июня 2017 г.), «Неоконченная симфония Эйнштейна: история азартной игры, двух черных дыр и нового века астрономии», Неоконченная симфония Эйнштейна , издательство Йельского университета, doi : 10.12987/9780300228120, ISBN 9780300228120, OCLC  1039140043, S2CID  246149887 , получено 22 мая 2023 г.Гугл Книги
  4. ^ Словарь Оксфордского американского колледжа. Сыновья ГП Патнэма. 2002. ISBN 9780399144158. ОСЛК  48965005.
  5. ^ «Исаак Ньютон и проблема цвета», Стивен А. Эдвардс, AAAS.
  6. ^ «1861: величайший год Джеймса Клерка Максвелла» . Королевский колледж Лондона. 18 апреля 2011 г. Архивировано из оригинала 22 июня 2013 г. . Проверено 28 марта 2013 г.
  7. ^ аб ПАСКО, «Что такое спектроскопия?»
  8. ^ Саттон, Массачусетс «Сэр Джон Гершель и развитие спектроскопии в Великобритании». Британский журнал истории науки, том. 7, нет. 1, [Издательство Кембриджского университета, Британское общество истории науки], 1974, стр. 42–60.
  9. ^ Лазич, Деян. «Введение в рамановскую микроскопию/спектроскопию». Применение молекулярных методов и рамановской микроскопии/спектроскопии в сельскохозяйственных науках и пищевых технологиях, под редакцией Деяна Лазича и др., Ubiquity Press, 2019, стр. 143–50, http://www.jstor.org/stable/j.ctvmd85qp .12.
  10. ^ Аб Перельман, LT; Бэкман, В.; Уоллес, М.; Зониос, Г.; Манохаран, Р.; Нусрат, А.; Шилдс, С.; Зайлер, М.; Лима, К.; Хамано, Т.; Ицкан, И.; Ван Дам, Дж.; Кроуфорд, Дж. М.; Фельд, М.С. (19 января 1998 г.). «Наблюдение периодической тонкой структуры при отражении от биологической ткани: новый метод измерения распределения ядер по размерам». Письма о физических отзывах . 80 (3): 627–630. Бибкод : 1998PhRvL..80..627P. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.627.
  11. ^ Кумар, Манджит. Квант: Эйнштейн, Бор и великие дебаты о природе реальности / Манджит Кумар.—1-е американское изд., 2008. Глава 1.
  12. ^ «Спектры и что они могут нам рассказать», НАСА https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/spectra1.html
  13. ^ БАЗОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, Санти Нонелл1 и Кристиано Виаппиани, http://photobiology.info/Nonell_Viappiani.html
  14. ^ База данных атомных спектров, NIST, https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database
  15. ^ Саул, Луиза. (2020, 06 апреля). Различные типы спектроскопии для химического анализа. АЗоОптика. Получено 10 ноября 2021 г. с https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=1382.
  16. ^ Айзек Азимов, Понимание физики, Том. 1, с.108.
  17. ^ «Вкус ЭСПРЕССО» . Проверено 15 сентября 2015 г.
  18. ^ Мариани, З.; Стронг, К.; Вольф, М.; Роу, П.; Уолден, В.; Фогал, П.Ф.; Дак, Т.; Лесинс, Г.; Тернер, Д.С.; Кокс, К.; Элоранта, Э.; Драммонд-младший; Рой, К.; Тернер, Д.Д.; Худак, Д.; Линденмайер, Айова (2012). «Инфракрасные измерения в Арктике с использованием двух интерферометров излучения атмосферы». Методы измерения атмосферы . 5 (2): 329–344. Бибкод : 2012AMT.....5..329M. дои : 10.5194/amt-5-329-2012 .
  19. ^ Крото, HW (1975). Спектры молекулярного вращения. Уайли. ISBN 9780471508533. ОСЛК  793428.
  20. ^ Бункер, Филип Р.; Дженсен, Пер (1998). Молекулярная симметрия и спектроскопия. Оттава: NRC Research Press. ISBN 9780660196282. ОСЛК  255512489.Публикация томов
  21. ^ Папоушек, Душан; Алиев, Мамед Рагимович (1982). Молекулярные колебательно-вращательные спектры: теория и приложения инфракрасной, микроволновой и рамановской спектроскопии высокого разрешения многоатомных молекул. Амстердам: Научное издательство Elsevier. ISBN 9780444997371. ОСЛК  7278301.
  22. ^ Уилсон, Эдгар Б.; Дециус, Джон К.; Кросс, Пол К. (1 марта 1980 г.). Молекулярные колебания: теория инфракрасных и рамановских колебательных спектров. Курьерская корпорация. ISBN 9780486639413. ОСЛК  1023249001.
  23. ^ Эванс, CL; Се, XS (2008). «Микроскопия когерентного антистоксового комбинационного рассеяния: химическая визуализация для биологии и медицины». Ежегодный обзор аналитической химии . 1 : 883–909. Бибкод : 2008ARAC....1..883E. doi : 10.1146/annurev.anchem.1.031207.112754. ПМИД  20636101.
  24. ^ В. Демтредер , Лазерная спектроскопия , 3-е изд. (Спрингер, 2003).
  25. ^ Брайан Орр ; Дж. Г. Хауб; Ю. Он; РТ Белый (2016). «Спектроскопические применения импульсных перестраиваемых оптических параметрических генераторов». В Ф. Дж. Дуарте (ред.). Приложения настраиваемого лазера (3-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press . стр. 17–142. ISBN 978-1-4822-6106-6.
  26. ^ Бэкман, В.; Уоллес, МБ; Перельман, LT; Арендт, Дж. Т.; Гурджар, Р.; Мюллер, МГ; Чжан, К.; Зониос, Г.; Клайн, Э.; Макгилликан, Т.; Шапшай, С.; Вальдес, Т.; Бадизадеган, К.; Кроуфорд, Дж. М.; Фицморис, М. (июль 2000 г.). «Обнаружение преинвазивных раковых клеток». Природа . 406 (6791): 35–36. дои : 10.1038/35017638. ISSN  1476-4687. PMID  10894529. S2CID  4383575.
  27. ^ Мюррей, Кермит К.; Бойд, Роберт К.; Эберлин, Маркос Н.; Лэнгли, Дж. Джон; Ли, Лян; Наито, Ясухидэ (2013). «Определения терминов, относящихся к масс-спектрометрии (Рекомендации ИЮПАК 2013 г.)». Чистая и прикладная химия . 85 (7): 1. номер документа : 10.1351/PAC-REC-06-04-06 . ISSN  0033-4545.
  28. ^ Н. А. Синицын; Ю.В. Першин (2016). «Теория спектроскопии спинового шума: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 79 (10): 106501. arXiv : 1603.06858 . Бибкод : 2016RPPH...79j6501S. дои : 10.1088/0034-4885/79/10/106501. PMID  27615689. S2CID  4393400.
  29. ^ Солли, ДР; Чоу, Дж.; Джалали, Б. (2008). «Усиленное преобразование длины волны во времени для спектроскопии в реальном времени». Природная фотоника . 2 (1): 48–51. Бибкод : 2008NaPho...2...48S. дои : 10.1038/nphoton.2007.253.
  30. ^ Чоу, Джейсон; Солли, Дэниел Р.; 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 . Бибкод : 2008ApPhL..92k1102C. дои : 10.1063/1.2896652. S2CID  53056467.
  31. ^ «Информация для СМИ: пресс-конференция, на которой будет объявлено о важных результатах бразильских астрономов» . Объявление ESO . Проверено 21 августа 2013 г.
  32. ^ Брайан Бауэрс (2001). Сэр Чарльз Уитстон FRS: 1802–1875 (2-е изд.). ИЭПП. стр. 207–208. ISBN 978-0-85296-103-2.
  33. ^ Брэнд, Джон CD (1995). Линии света: источники дисперсионной спектроскопии, 1800–1930 гг . Издательство Гордон и Брич. п. 57. ИСБН 978-2884491624.
  34. ^ Ван, Сипин; Вакер, Джеймс П. (2006). «Использование БИК-спектроскопии для прогнозирования времени воздействия выветриваемой древесины» (PDF) . WTCE 2006 – 9-я Всемирная конференция по деревообработке .
  35. ^ Шер, Д. (1968). «Релятивистский эффект Доплера». Журнал Королевского астрономического общества Канады . 62 : 105. Бибкод : 1968JRASC..62..105S.
  36. ^ «Германия и Франция прекратят отбраковку цыплят» . 22 июля 2021 г.
  37. ^ Грау-Люк, Энрик; Гук, Максим; Бесеррил-Ромеро, Игнасио; Искьердо-Рока, Виктор; Перес-Родригес, Алехандро; Болт, Питер; Ван ден Брюле, Фике; Руле, Ульферт (март 2022 г.). «Оценка толщины барьерных слоев AlO x для герметизации гибких фотоэлектрических модулей в промышленных средах с помощью нормального отражения и машинного обучения». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 30 (3): 229–239. дои : 10.1002/pip.3478. ISSN  1062-7995.
  38. ^ abc Эндрю Фракной ; Дэвид Моррисон (13 октября 2016 г.). «OpenStax Астрономия».

Рекомендации

Внешние ссылки

В Wikiquote есть цитаты, связанные со спектроскопией .
Поищите спектроскопию в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть медиафайлы по теме спектроскопии .