Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Полосы поглощения в атмосфере Земли, создаваемые парниковыми газами, и их влияние на проходящую радиацию.

Согласно квантовой механике , атомы и молекулы могут удерживать только определенные определенные количества энергии или существовать в определенных состояниях . При таких квантов от электромагнитного излучения испускаются или поглощается атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы из начального состояния в конечное состояние . Полоса поглощения представляет собой диапазон длин волн , частот или энергий в электромагнитном спектре которые характерны для конкретного перехода вещества от начального к конечному состоянию.

Обзор [ править ]

Согласно квантовой механике , атомы и молекулы могут удерживать только определенные определенные количества энергии или существовать в определенных состояниях . Когда электромагнитное излучение поглощается атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы с начального состояния на конечное . Число состояний в определенном диапазоне энергий дискретно для газообразных или разбавленных систем с дискретными уровнями энергии . Конденсированные системы , такие как жидкости или твердые тела, имеют непрерывное распределение плотности состояний и часто обладают непрерывнымэнергетические диапазоны . Для того, чтобы вещество изменило свою энергию, оно должно делать это в несколько этапов путем поглощения фотона . Этот процесс поглощения может перемещать частицу, например электрон, из занятого состояния в пустое или незанятое состояние. Он также может перемещать целую колеблющуюся или вращающуюся систему, такую ​​как молекула, из одного колебательного или вращательного состояния в другое, или он может создавать квазичастицу, такую ​​как фонон или плазмон в твердом теле.

Электромагнитные переходы [ править ]

Принципиальная схема электромагнитного поглощения

Когда фотон поглощается, электромагнитное поле фотона исчезает, поскольку оно инициирует изменение состояния системы, которая поглощает фотон. Энергия , импульс , угловой момент , магнитный дипольный момент и электрический дипольный момент переносятся от фотона в систему. Поскольку существуют законы сохранения , которые должны выполняться, переход должен соответствовать ряду ограничений. Это приводит к ряду правил отбора . Невозможно выполнить какой-либо переход, который находится в наблюдаемом диапазоне энергии или частоты.

Сила процесса электромагнитного поглощения в основном определяется двумя факторами. Во-первых, важно понять, что переходы, которые изменяют только магнитный дипольный момент системы, намного слабее, чем переходы, которые изменяют электрический дипольный момент, и что переходы к моментам более высокого порядка, такие как квадрупольные переходы , слабее, чем дипольные переходы. Во-вторых, не все переходы имеют одинаковый элемент матрицы перехода, коэффициент поглощения или силу осциллятора .

Для некоторых типов полос или спектроскопических дисциплин важную роль играет температура и статистическая механика . Для получения (далеко) инфракрасный , микроволновое и радиочастотный диапазоны Зависимое от температуры числа заполнения состояний и разницу между статистикой Бозе-Эйнштейна и статистики Ферми-Дирака определяет интенсивность наблюдаемых поглощений. Для других диапазонов энергии эффекты теплового движения , такие как доплеровское уширение, могут определять ширину линии .

Форма полосы и линии [ править ]

Спектр мессбауэровского поглощения 57 Fe с очень резкими линиями
Основная статья: Спектроскопическая форма линии

Существует большое разнообразие полос поглощения и форм линий, и анализ формы полосы или линии может использоваться для определения информации о системе, которая его вызывает. Во многих случаях удобно предполагать, что узкая спектральная линия является лоренцевой или гауссовой , в зависимости от механизма распада или температурных эффектов, таких как доплеровское уширение . Анализ спектральной плотности и интенсивности, ширины и формы спектральных линий иногда может дать много информации о наблюдаемой системе, как это делается с мессбауэровскими спектрами .

В системах с очень большим количеством состояний, таких как макромолекулы и большие сопряженные системы, отдельные уровни энергии не всегда можно выделить в спектре поглощения. Если известен механизм уширения линий и форма спектральной плотности четко видна в спектре, можно получить желаемые данные. Иногда для анализа достаточно знать нижнюю или верхнюю границу полосы или ее положение.

Для конденсированных сред и твердых тел форма полос поглощения часто определяется переходами между состояниями в их непрерывном распределении плотности состояний . Для получения кристаллов электронная структура полосы определяет плотность состояний. В жидкостях , стеклах и аморфных твердых телах нет дальнодействующей корреляции, а дисперсионные соотношения изотропны. Это упрощает расчет формы полос поглощения по плотности состояний. Для комплексов с переносом заряда и сопряженных систем ширина полосы определяется множеством факторов.

Типы [ править ]

Электронные переходы [ править ]

Электромагнитные переходы в атомах, молекулах и конденсированных средах в основном происходят при энергиях, соответствующих УФ и видимой части спектра. Электроны ядра в атомах и многие другие явления наблюдаются с помощью XAS разных марок в диапазоне энергий рентгеновского излучения. Электромагнитные переходы в атомных ядрах , наблюдаемые в мессбауэровской спектроскопии , происходят в гамма-лучевой части спектра. Основные факторы, вызывающие уширениеспектральной линии в полосу поглощения молекулярного твердого тела представляют собой распределения колебательной и вращательной энергий молекул в образце (а также их возбужденных состояний). В твердых кристаллах форма полос поглощения определяется плотностью состояний начального и конечного состояний электронных состояний или колебаний решетки, называемых фононами , в кристаллической структуре . В газофазной спектроскопии можно различить тонкую структуру, обусловленную этими факторами, но в спектроскопии состояния раствора различия в молекулярном микросреде еще больше расширяют структуру, давая гладкие полосы. Полосы электронных переходов молекул могут иметь ширину от десятков до нескольких сотен нанометров.

Вибрационные переходы [ править ]

Колебательные переходы и переходы оптических фононов происходят в инфракрасной части спектра на длинах волн около 1-30 микрометров. [1]

Вращательные переходы [ править ]

Вращательные переходы происходят в дальней инфракрасной и микроволновой областях. [2]

Другие переходы [ править ]

Полосы поглощения в радиодиапазоне обнаруживаются при ЯМР-спектроскопии . Частотные диапазоны и интенсивности определяются магнитным моментом ядер, которые наблюдаются, приложенным магнитным полем и температурными различиями числа заполнения магнитных состояний.

Приложения [ править ]

Материалы с широкими полосами поглощения используются в пигментах , красителях и оптических фильтрах . Диоксид титана , оксид цинка и хромофоры используются в качестве поглотителей УФ-излучения и отражателей в солнцезащитных кремах .

Полосы поглощения, представляющие интерес для атмосферных физиков [ править ]

В кислороде :

  • эти полосы Хопфилда , очень сильный, между примерно 67 и 100 нм в ультрафиолетовой области спектра (названный в честь Джона Дж Хопфилдом );
  • диффузная система от 101,9 до 130 нанометров;
  • континуум Шумана – Рунге, очень сильный, между 135 и 176 нанометрами;
  • эти полосы Шумана- Рунге между 176 и 192,6 нм (названный в честь Виктора Шуманом и Карла Рунге );
  • эти полосы Герцберга между 240 и 260 нм (после того, как названные Gerhard Herzberg );
  • полосы атмосферы между 538 и 771 нанометром в видимой области спектра; включая кислород δ (~ 580 нм), γ (~ 629 нм), B (~ 688 нм) и полосу A (~ 759-771 нм) [3]
  • система в инфракрасном диапазоне около 1000 нанометров. [4]

В озоне :

  • эти полосы Hartley между 200 и 300 нм в ультрафиолетовой области спектра, с очень интенсивным максимальным поглощением при 255 нм ( по имени Walter Noel Хартли );
  • эти полосы Huggins , слабое поглощение между 320 и 360 нм (назван в честь сэра Уильяма Хуггинсом );
  • эти полосы Chappuis (иногда неправильно «Chappius»), слабая система диффузного между 375 и 650 нм в видимой области спектра ( по имени J. Chappuis ); и
  • эти полосы Вульф в инфракрасной области спектра за пределы 700 нм, с центром в 4700, 9,600 и 14100 нм, причем последний является наиболее интенсивным ( по имени Оливер Р. Вульф ).

В азоте :

  • Эти полосы Лайман-Бирге-Хопфилда , иногда известные как полосы Бирге-Хопфилда , в дальней ультрафиолетовой области : 140- 170 нм (названный в честь Теодора Lyman , Raymond T. Бирге и John J. Хопфилдом )

См. Также [ править ]

  • Принцип Франка – Кондона
  • Спектроскопия
  • Спектральная линия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Эдгар Брайт Уилсон, Дж. К. Дециус, Пол К. Кросс, МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВИБРАЦИИ. Теория инфракрасных и комбинационных колебательных спектров. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1955 год.
  2. ^ Гарри С. Аллен младший, Пол С. Кросс, Молекулярные виброторы. ТЕОРИЯ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОВ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ. John Wiley and Sons, Inc., Нью-Йорк, 1963 год.
  3. ^ Дэвид А. Ньюнхэм и Джон Баллард. Видимые сечения поглощения и интегральные интенсивности поглощения молекулярного кислорода (O2 и O4). http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/98JD02799/pdf
  4. ^ К. М. Смит, Д. А. Ньюнхэм. Спектроскопия поглощения газовых смесей кислорода и азота в ближней инфракрасной области. DOI: 10.1016 / S0009-2614 (99) 00584-9