stringtranslate.com

Спектроскопия

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

Спектроскопия — это область науки, которая измеряет и интерпретирует электромагнитные спектры . [1] [2] В более узком контексте спектроскопия — это точное изучение цвета , обобщенное от видимого света до всех полос электромагнитного спектра.

Спектроскопия, в первую очередь в электромагнитном спектре, является фундаментальным исследовательским инструментом в областях астрономии , химии , материаловедения и физики , позволяя исследовать состав, физическую структуру и электронную структуру вещества в атомном, молекулярном и макромасштабе, а также на астрономических расстояниях .

Исторически спектроскопия возникла как изучение зависимости поглощения видимого света, рассеиваемого призмой, от длины волны веществом газовой фазы . Современные приложения спектроскопии включают биомедицинскую спектроскопию в областях анализа тканей и медицинской визуализации . Волны материи и акустические волны также можно считать формами лучистой энергии, а недавно гравитационные волны были связаны со спектральной сигнатурой в контексте лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). [3]

Введение

Спектроскопия — это раздел науки, занимающийся спектрами электромагнитного излучения как функцией его длины волны или частоты, измеряемой спектрографическим оборудованием и другими методами, с целью получения информации о структуре и свойствах вещества. [4] Спектральные измерительные приборы называются спектрометрами , спектрофотометрами , спектрографами или спектральными анализаторами . Большая часть спектроскопического анализа в лаборатории начинается с образца, который необходимо проанализировать, затем выбирается источник света из любого желаемого диапазона светового спектра, затем свет проходит через образец в дисперсионную решетку (прибор с дифракционной решеткой) и улавливается фотодиодом . Для астрономических целей телескоп должен быть оснащен устройством для дисперсии света. Существуют различные версии этой базовой установки, которые могут быть использованы.

Спектроскопия началась с того, что Исаак Ньютон разделил свет призмой; ключевой момент в развитии современной оптики . [5] Таким образом, изначально это было изучение видимого света, который мы называем цветом , который позже под влиянием исследований Джеймса Клерка Максвелла стал включать 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, чтобы дать объектам ощущение цвета для наших глаз. Скорее спектроскопия включает в себя расщепление света призмой, дифракционной решеткой или аналогичным инструментом, чтобы выделить определенный дискретный линейный рисунок, называемый «спектром», уникальный для каждого отдельного типа элемента. Большинство элементов сначала помещают в газообразную фазу, чтобы можно было исследовать спектры, хотя сегодня на разных фазах можно использовать другие методы. Каждый элемент, который дифрагирует призмоподобным инструментом, отображает либо спектр поглощения, либо спектр испускания в зависимости от того, охлаждается ли элемент или нагревается. [7]

До недавнего времени вся спектроскопия включала изучение линейчатых спектров, и большая часть спектроскопии все еще делает это. [8] Колебательная спектроскопия — это раздел спектроскопии, который изучает спектры. [9] Однако последние разработки в спектроскопии иногда позволяют обойтись без метода дисперсии. В биохимической спектроскопии информацию о биологической ткани можно получить с помощью методов поглощения и рассеяния света. Спектроскопия рассеяния света — это тип отражательной спектроскопии, которая определяет структуры ткани путем изучения упругого рассеяния. [10] В таком случае именно ткань действует как механизм дифракции или дисперсии.

Спектроскопические исследования были центральными для развития квантовой механики , потому что первые полезные атомные модели описывали спектры водорода, которые включают модель Бора , уравнение Шредингера и матричную механику , все из которых могут производить спектральные линии водорода , тем самым обеспечивая основу для дискретных квантовых скачков, чтобы соответствовать дискретному спектру водорода. Кроме того, объяснение Максом Планком излучения черного тела включало спектроскопию, потому что он сравнивал длину волны света с помощью фотометра с температурой Черного тела . [11] Спектроскопия используется в физической и аналитической химии , потому что атомы и молекулы имеют уникальные спектры. В результате эти спектры могут использоваться для обнаружения, идентификации и количественной оценки информации об атомах и молекулах. Спектроскопия также используется в астрономии и дистанционном зондировании Земли. Большинство исследовательских телескопов имеют спектрографы. 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] Важное применение спектроскопии в биохимии. Молекулярные образцы могут быть проанализированы для идентификации видов и содержания энергии. [13]

Теория

Основная предпосылка спектроскопии заключается в том, что свет состоит из волн разной длины и что каждая длина волны соответствует разной частоте. Важность спектроскопии сосредоточена вокруг того факта, что каждый элемент в периодической таблице имеет уникальный спектр света, описываемый частотами света, который он испускает или поглощает, постоянно появляющимися в одной и той же части электромагнитного спектра, когда этот свет дифрагирует. Это открыло целую область изучения всего, что содержит атомы. Спектроскопия является ключом к пониманию атомных свойств всей материи. Как таковая спектроскопия открыла много новых подобластей науки, еще не открытых. Идея о том, что каждый атомный элемент имеет свою уникальную спектральную сигнатуру, позволила использовать спектроскопию в широком ряде областей, каждая из которых имеет определенную цель, достигаемую различными спектроскопическими процедурами. Национальный институт стандартов и технологий ведет общедоступную базу данных атомных спектров, которая постоянно пополняется точными измерениями. [14]

Расширение области спектроскопии связано с тем, что любая часть электромагнитного спектра может быть использована для анализа образца от инфракрасного до ультрафиолетового, сообщая ученым различные свойства 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 . [15] В ядерном магнитном резонансе (ЯМР) теория, лежащая в его основе, заключается в том, что частота аналогична резонансу и соответствующей ему резонансной частоте. Резонансы по частоте были впервые охарактеризованы в механических системах, таких как маятники , которые имеют частоту движения, отмеченную знаменитым Галилеем . [16]

Классификация методов

Огромная дифракционная решетка в основе сверхточного спектрографа ESPRESSO . [17]

Спектроскопия — достаточно широкая область, в которой существует множество субдисциплин, каждая из которых имеет многочисленные реализации определенных спектроскопических методов. Различные реализации и методы можно классифицировать несколькими способами.

Тип лучистой энергии

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

Характер взаимодействия

Типы спектроскопии также можно различать по характеру взаимодействия между энергией и материалом. Эти взаимодействия включают: [2]

Тип материала

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

Атомы

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

Атомная спектроскопия была первым применением спектроскопии. Атомная абсорбционная спектроскопия и атомная эмиссионная спектроскопия включают видимый и ультрафиолетовый свет. Эти поглощения и излучения, часто называемые атомными спектральными линиями, обусловлены электронными переходами внешних электронов оболочки, когда они поднимаются и опускаются с одной электронной орбиты на другую. Атомы также имеют различные рентгеновские спектры, которые можно отнести к возбуждению внутренних электронов оболочки до возбужденных состояний.

Атомы различных элементов имеют различные 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 испускания. Линии атомного поглощения наблюдаются в солнечном спектре и называются линиями Фраунгофера в честь их первооткрывателя. Всестороннее объяснение спектра водорода стало ранним успехом квантовой механики и объяснило сдвиг Лэмба, наблюдаемый в спектре водорода, что в дальнейшем привело к развитию квантовой электродинамики .

Современные реализации атомной спектроскопии для изучения видимых и ультрафиолетовых переходов включают пламенную эмиссионную спектроскопию , индуктивно связанную плазменную атомную эмиссионную спектроскопию , спектроскопию тлеющего разряда , микроволновую плазменную спектроскопию 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 из-за электронных спиновых состояний ( электронный парамагнитный резонанс ), молекулярных вращений , молекулярных колебаний и электронных состояний. Вращения являются коллективными движениями атомных ядер и обычно приводят к спектрам в микроволновом и миллиметровом диапазонах спектра. Вращательная спектроскопия и микроволновая спектроскопия являются синонимами. Вибрации являются относительными движениями атомных ядер и изучаются как инфракрасной, так и рамановской спектроскопией . Электронные возбуждения изучаются с помощью 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 протяженные материалы

Объединение атомов или молекул в кристаллы или другие расширенные формы приводит к созданию дополнительных энергетических состояний. Эти состояния многочисленны и, следовательно, имеют высокую плотность состояний. Эта высокая плотность часто делает спектры слабее и менее четкими, т. е. шире. Например, излучение черного тела обусловлено тепловыми движениями атомов и молекул внутри материала. Акустические и механические отклики также обусловлены коллективными движениями. Чистые кристаллы, однако, могут иметь отчетливые спектральные переходы, и расположение кристаллов также оказывает влияние 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 гамма- спектрам. Различные ядерные спиновые состояния могут иметь свою энергию, разделенную магнитным полем, и это позволяет проводить ядерную магнитно-резонансную спектроскопию .

Другие типы

Другие типы спектроскопии различаются по конкретным приложениям или реализациям:

Приложения

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

Спектроскопия имеет несколько применений в области медицины, физики, химии и астрономии. Используя свойства поглощения и астрономического излучения, спектроскопия может быть использована для идентификации определенных состояний природы. Использование спектроскопии в стольких различных областях и для стольких различных приложений привело к появлению специальных научных подотраслей. Такие примеры включают:

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 позволил солнечному свету пройти через небольшое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет, который кажется нам 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 которые проявляются, когда белый свет проходит через призму.

Фракной и Моррисон утверждают, что «В 1802 году Уильям Хайд Волластон построил усовершенствованный спектрометр, который включал линзу для фокусировки спектра Солнца на экране. При использовании Волластон понял, что цвета не были распределены равномерно, а вместо этого имели отсутствующие участки цветов, которые проявлялись как темные полосы в спектре». [38] 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 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 связь 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 достигать пика на резонансной частоте или энергии. Такие частицы, как электроны и нейтроны, имеют сопоставимую связь, соотношения де Бройля , между их кинетической энергией и 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 серий и спектральных паттернов, связанных с ними, было одной из экспериментальных загадок, которые привели к развитию и принятию квантовой механики. Водородная спектральная серия , в частности, была впервые успешно объяснена 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. Названные серии линий включают основную , резкую , диффузную и фундаментальную серии .

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Дакетт, Саймон; Гилберт, Брюс (2000). Основы спектроскопии . Oxford Science Publications. ISBN 978-0198503354.
  2. ^ abc Crouch, Stanley R.; Skoog, Douglas A.; Holler, FJ (2007). Принципы инструментального анализа. Австралия: Thomson Brooks/Cole. ISBN 9780495012016.
  3. ^ Бартусяк, Марсия (2017-06-27), «Неоконченная симфония Эйнштейна: история азартной игры, двух черных дыр и новой эры астрономии», Неоконченная симфония Эйнштейна , Yale University Press, doi : 10.12987/9780300228120, ISBN 9780300228120, OCLC  1039140043, S2CID  246149887 , получено 2023-05-22Google Книги
  4. ^ Оксфордский американский колледжский словарь. Сыновья Г. П. Патнэма. 2002. ISBN 9780399144158. OCLC  48965005.
  5. ^ «Исаак Ньютон и проблема цвета», Стивен А. Эдвардс, AAAS.
  6. ^ "1861: величайший год Джеймса Клерка Максвелла". King's College London. 18 апреля 2011 г. Архивировано из оригинала 22 июня 2013 г. Получено 28 марта 2013 г.
  7. ^ ab PASCO, «Что такое спектроскопия?»
  8. ^ Саттон, MA «Сэр Джон Гершель и развитие спектроскопии в Британии». Британский журнал истории науки, т. 7, № 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. ^ ab Perelman, LT; Backman, V.; Wallace, M.; Zonios, G.; Manoharan, R.; Nusrat, A.; Shields, S.; Seiler, M.; Lima, C.; Hamano, T.; Itzkan, I.; Van Dam, J.; Crawford, JM; Feld, MS (1998-01-19). "Наблюдение периодической тонкой структуры в отражении от биологической ткани: новый метод измерения распределения размеров ядер". Physical Review Letters . 80 (3): 627–630. Bibcode : 1998PhRvL..80..627P. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.627.
  11. ^ Кумар, Манджит. Квант: Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности / Манджит Кумар.—1-е американское изд., 2008. Гл.1.
  12. ^ "Спектры и что они могут нам рассказать". Представьте себе Вселенную! . NASA Goddard Space Flight Center. Август 2013 г.
  13. ^ Нонелл, Санти; Виаппиани, Кристиано. «Основы спектроскопии». Photobiological Sciences Online .
  14. ^ «База данных атомных спектров», NIST.
  15. ^ Saul, Louise. (6 апреля 2020 г.). «Различные типы спектроскопии для химического анализа». AZoOptics. Получено 10 ноября 2021 г.
  16. ↑ Айзек Азимов, Понимание физики, т. 1, стр. 108.
  17. ^ "Вкус ЭСПРЕССО" . Получено 15 сентября 2015 г.
  18. ^ Mariani, Z.; Strong, K.; Wolff, M.; Rowe, P.; Walden, V.; Fogal, PF; Duck, T.; Lesins, G.; Turner, DS; Cox, C.; Eloranta, E.; Drummond, JR; Roy, C.; Turner, DD; Hudak, D.; Lindenmaier, IA (2012). "Инфракрасные измерения в Арктике с использованием двух интерферометров атмосферного излучения". Atmospheric Measurement Techniques . 5 (2): 329–344. Bibcode :2012AMT.....5..329M. doi : 10.5194/amt-5-329-2012 .
  19. ^ Kroto, HW (1975). Спектры молекулярного вращения. Wiley. ISBN 9780471508533. OCLC  793428.
  20. ^ Банкер, Филип Р.; Дженсен, Пер (1998). Молекулярная симметрия и спектроскопия. Оттава: NRC Research Press. ISBN 9780660196282. OCLC  255512489.Издательское дело Тома
  21. ^ Папоушек, Душан; Алиев, Мамед Рагимович (1982). Молекулярные колебательно-вращательные спектры: теория и применение инфракрасной, микроволновой и рамановской спектроскопии высокого разрешения многоатомных молекул. Амстердам: Elsevier Scientific Publishing Company. ISBN 9780444997371. OCLC  7278301.
  22. ^ Уилсон, Эдгар Б.; Дециус, Джон К.; Кросс, Пол К. (1980-03-01). Молекулярные колебания: теория инфракрасных и рамановских колебательных спектров. Courier Corporation. ISBN 9780486639413. OCLC  1023249001.
  23. ^ Эванс, CL; Кси, XS (2008). «Микроскопия когерентного антистоксового комбинационного рассеяния: химическая визуализация для биологии и медицины». Annual Review of Analytical Chemistry . 1 : 883–909. Bibcode : 2008ARAC....1..883E. doi : 10.1146/annurev.anchem.1.031207.112754. PMID  20636101.
  24. ^ В. Демтрёдер , Лазерная спектроскопия , 3-е изд. (Springer, 2003).
  25. ^ Брайан Орр ; Дж. Г. Хауб; И. Хе; Р. Т. Уайт (2016). «Спектроскопические применения импульсных перестраиваемых оптических параметрических генераторов». В FJ Duarte (ред.). Приложения перестраиваемых лазеров (3-е изд.). Boca Raton: CRC Press . стр. 17–142. ISBN 978-1-4822-6106-6.
  26. ^ Backman, V.; Wallace, MB; Perelman, LT; Arendt, JT; Gurjar, R.; Müller, MG; Zhang, Q.; Zonios, G.; Kline, E.; McGillican, T.; Shapshay, S.; Valdez, T.; Badizadegan, K.; Crawford, JM; Fitzmaurice, M. (июль 2000 г.). «Обнаружение преинвазивных раковых клеток». Nature . 406 (6791): 35–36. doi :10.1038/35017638. ISSN  1476-4687. PMID  10894529. S2CID  4383575.
  27. ^ Мюррей, Кермит К.; Бойд, Роберт К.; Эберлин, Маркос Н.; Лэнгли, Г. Джон; Ли, Лян; Найто, Ясухидэ (2013). «Определения терминов, относящихся к масс-спектрометрии (Рекомендации ИЮПАК 2013 г.)». Чистая и прикладная химия . 85 (7): 1. doi : 10.1351/PAC-REC-06-04-06 . ISSN  0033-4545.
  28. ^ NA Sinitsyn; YV Pershin (2016). "Теория спектроскопии спинового шума: обзор". Reports on Progress in Physics . 79 (10): 106501. arXiv : 1603.06858 . Bibcode :2016RPPh...79j6501S. doi :10.1088/0034-4885/79/10/106501. PMID  27615689. S2CID  4393400.
  29. ^ Солли, DR; Чоу, J.; Джалали, B. (2008). «Усиленное преобразование длины волны во время для спектроскопии в реальном времени». Nature Photonics . 2 (1): 48–51. Bibcode :2008NaPho...2...48S. doi :10.1038/nphoton.2007.253.
  30. ^ Chou, Jason; Solli, Daniel R.; Jalali, Bahram (2008). "Спектроскопия в реальном времени с субгигагерцовым разрешением с использованием усиленного дисперсионного преобразования Фурье". Applied Physics Letters . 92 (11): 111102. arXiv : 0803.1654 . Bibcode : 2008ApPhL..92k1102C. doi : 10.1063/1.2896652. S2CID  53056467.
  31. ^ "Информационное сообщение: Пресс-конференция, посвященная объявлению важного результата бразильских астрономов". Объявление ESO . Получено 21 августа 2013 г.
  32. ^ Брайан Бауэрс (2001). Сэр Чарльз Уитстон FRS: 1802–1875 (2-е изд.). IET. стр. 207–208. ISBN  978-0-85296-103-2.
  33. ^ Брэнд, Джон CD (1995). Линии света: источники дисперсионной спектроскопии, 1800 – 1930. Gordon and Breach Publishers. стр. 57. ISBN  978-2884491624.
  34. ^ Ван, Сипин; Вакер, Джеймс П. (2006). «Использование спектроскопии NIR для прогнозирования времени воздействия выветренной древесины» (PDF) . WTCE 2006 – 9-я всемирная конференция по деревообработке . Архивировано из оригинала (PDF) 2021-03-01 . Получено 2009-06-22 .
  35. ^ Шер, Д. (1968). «Релятивистский эффект Доплера». Журнал Королевского астрономического общества Канады . 62 : 105. Bibcode : 1968JRASC..62..105S.
  36. ^ «Германия и Франция прекратят отстрел цыплят». 22 июля 2021 г.
  37. ^ Грау-Луке, Энрик; Гук, Максим; Бесерриль-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 инкапсуляции гибких фотоэлектрических модулей в промышленных условиях с помощью нормального отражения и машинного обучения». Прогресс в фотовольтаике: исследования и приложения . 30 (3): 229–239. doi :10.1002/pip.3478. ISSN  1062-7995.
  38. ^ abc Эндрю Фракной ; Дэвид Моррисон (13 октября 2016 г.). «OpenStax Astronomy».

Ссылки

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные со спектроскопией .
Найдите термин «спектроскопия» в Викисловаре, бесплатном словаре.
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Спектроскопия» .