Спектроскопия

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Спектроскопия»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( апрель 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Пример спектроскопии: призма анализирует белый свет, распределяя его по составляющим его цветам.

Спектроскопия является изучением взаимодействия между материей и электромагнитным излучением в зависимости от длины волны или частоты излучения. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]} Проще говоря, спектроскопия - это точное исследование цвета, обобщенное от видимого света на все полосы электромагнитного спектра ; действительно, исторически спектроскопия возникла как исследование зависимости от длины волны поглощения газовой фазой видимого света, рассеянного призмой . Волны материи иакустические волны также можно рассматривать как формы радиационной энергии, а недавно гравитационные волны стали ассоциироваться со спектральной сигнатурой в контексте обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO).

Спектроскопия, в первую очередь в электромагнитном спектре, является фундаментальным исследовательским инструментом в областях физики , химии и астрономии , позволяя исследовать состав, физическую структуру и электронную структуру материи в атомном, молекулярном и макроуровне, а также в астрономическом масштабе. расстояния . Важные приложения возникают из биомедицинской спектроскопии в областях анализа тканей и медицинской визуализации .

Вступление

Спектроскопия является отраслью науки , имеющим отношения к спектрам от электромагнитного излучения , как его длина волны или частота измеряются спектрографическим оборудованием, а также другими методами, с целью получения информации о структуре и свойствах материи. ^[7] Спектральные измерительные устройства называются спектрометрами , спектрофотометрами , спектрографами или спектральными анализаторами .

Ежедневные наблюдения за цветом могут быть связаны со спектроскопией. Неоновое освещение - прямое применение атомной спектроскопии . Неон и другие благородные газы имеют характерные частоты излучения (цвета). Неоновые лампы используют столкновение электронов с газом для возбуждения этих выбросов. Чернила , красители и краски включают химические соединения, выбранные по их спектральным характеристикам, чтобы создавать определенные цвета и оттенки. Широко встречается молекулярный спектр является то , что диоксид азота. Газообразный диоксид азота имеет характерную красную абсорбционную способность, что придает воздуху, загрязненному диоксидом азота, красновато-коричневый цвет. Рэлеевское рассеяние - это спектроскопическое явление рассеяния, которое объясняет цвет неба.

Спектроскопические исследования были центральными в развитии квантовой механики и включали объяснение Максом Планком излучения черного тела , объяснение фотоэлектрического эффекта Альбертом Эйнштейном и объяснение атомной структуры и спектров Нильсом Бором . Спектроскопия используется в физической и аналитической химии, потому что 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 идистанционное зондирование Земли. Большинство исследовательских телескопов имеют спектрографы. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физических свойств от астрономических объектов (например, их температуры и скорости ).

Теория

Одно из центральных понятий в спектроскопии - резонанс и соответствующая ему резонансная частота. Впервые резонансы были охарактеризованы в механических системах, таких как маятники . Механические системы, которые колеблются или колеблются, будут испытывать колебания большой амплитуды, когда они работают на своей резонансной частоте. График зависимости амплитуды от частоты возбуждения будет иметь пик с центром на резонансной частоте. Этот график представляет собой один тип спектра , пик которого часто называют спектральной линией , и большинство спектральных линий имеют аналогичный вид.

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 совпадает с разностью энергий между двумя состояниями. Энергия E фотона связана с его частотой ν соотношением E = hν, где h - постоянная Планка , и поэтому спектр отклика системы в зависимости от частоты фотона будет иметь максимум на резонансной частоте или энергии. Частицы, такие как электроны и нейтроныимеют сравнимую взаимосвязь, соотношения де Бройля , между их кинетической энергией, длиной волны и частотой и, следовательно, могут также вызывать 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 связанных с ними спектральных паттернов было одной из экспериментальных загадок, которые привели к развитию и принятию квантовой механики. В частности, спектральный ряд водорода был впервые успешно объяснен квантовой моделью атома водорода Резерфорда – Бора . В некоторых случаях спектральные линии хорошо разделены и различимы, но спектральные линии также могут перекрываться и казаться единым переходом, если плотность энергетических состояний достаточно высока. Именованные серии линий включают главную , резкую ,диффузный и фундаментальный ряды .

Классификация методов

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

Тип радиационной энергии

Типы спектроскопии различаются по типу излучательной энергии, участвующей во взаимодействии. Во многих приложениях спектр определяется путем измерения изменений интенсивности или частоты этой энергии. К изученным типам излучаемой энергии относятся:

• Электромагнитное излучение было первым источником энергии, используемым для спектроскопических исследований. Методы, использующие электромагнитное излучение, обычно классифицируются по диапазону длин волн спектра и включают микроволновую , терагерцовую , инфракрасную , ближнюю инфракрасную , ультрафиолетовую и видимую области спектра , рентгеновскую и гамма- спектроскопию.
• Частицы из-за их волн де Бройля также могут быть источником радиационной энергии. Оба электронов и нейтронов спектроскопии обычно используются. Для частицы ее кинетическая энергия определяет ее длину волны.
• Акустическая спектроскопия включает излучаемые волны давления.
• Динамический механический анализ может использоваться для передачи энергии излучения, подобной акустическим волнам, твердым материалам.

Характер взаимодействия

Типы спектроскопии также можно различить по характеру взаимодействия энергии и материала. Эти взаимодействия включают: ^[5]

• Спектроскопия поглощения : поглощение происходит, когда энергия от источника излучения поглощается материалом. Поглощение часто определяется путем измерения доли энергии, прошедшей через материал, при этом поглощение уменьшает передаваемую часть.
• Эмиссионная спектроскопия : Эмиссия указывает на то, что материал выделяет радиационную энергию. Спектр черного тела материала - это спектр спонтанного излучения, определяемый его температурой. Эту характеристику можно измерить в инфракрасном диапазоне с помощью таких инструментов, как интерферометр излучения атмосферы. ^[9] Эмиссия также может быть вызвана другими источниками энергии, такими как пламя , искры , электрические дуги или электромагнитное излучение в случае флуоресценции .
• Спектроскопия упругого рассеяния и отражения определяет, как падающее излучение отражается или рассеивается материалом. Кристаллография использует рассеяние высокоэнергетического излучения, такого как рентгеновские лучи и электроны, для изучения расположения атомов в белках и твердых кристаллах.
• Спектроскопия импеданса : импеданс - это способность среды препятствовать или замедлять передачу энергии. Для оптических приложений это показатель преломления .
• Явления неупругого рассеяния включают обмен энергией между излучением и веществом, который сдвигает длину волны рассеянного излучения. К ним относятся рамановское и комптоновское рассеяние .
• Когерентная или резонансная спектроскопия - это методы, в которых энергия излучения связывает два квантовых состояния материала в когерентном взаимодействии, которое поддерживается излучающим полем. Когерентность может быть нарушена другими взаимодействиями, такими как столкновения частиц и передача энергии, и поэтому часто требуется поддержание излучения высокой интенсивности. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является широко используемым методом резонанса, и сверхбыстрая лазерная спектроскопия также возможна в инфракрасной и видимой областях спектра.
• Ядерная спектроскопия - это методы, которые используют свойства конкретных ядер для исследования локальной структуры вещества, в основном конденсированного вещества , молекул в жидкостях или замороженных жидкостях и биомолекул.

Тип материала

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

Атомы

Атомная спектроскопия была первым приложением спектроскопии. Атомно-абсорбционная спектроскопия и атомно-эмиссионная спектроскопия используют видимый и ультрафиолетовый свет. Эти поглощения и выбросы, 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 можно отнести к возбуждению электронов внутренней оболочки в возбужденные состояния.

Атомы различных элементов имеют разные спектры, и поэтому атомная спектроскопия позволяет идентифицировать и количественно определять 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 названы линиями фраунгофера в честь их первооткрывателя. Всестороннее объяснение спектра водорода было ранним успехом квантовой механики и объяснило лэмбовский сдвиг, наблюдаемый в спектре водорода, который в дальнейшем привел к развитию квантовой электродинамики .

Современные реализации атомной спектроскопии для изучения видимого и ультрафиолетового переходов включают в пламени эмиссионной спектроскопии , индуктивно связанной плазмой атомно - эмиссионной спектроскопии , газоразрядной спектроскопии , СВЧ - индуцированной плазмы спектроскопии и искры или дуги эмиссионной спектроскопии. 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 за счет электронных спиновых состояний ( электронного парамагнитного резонанса ), молекулярных вращений , молекулярных колебаний и электронных состояний. Вращения - это коллективные движения атомных ядер, которые обычно приводят к спектрам в микроволновой и миллиметровой областях спектра. Вращательная спектроскопия и микроволновая спектроскопия - синонимы. Колебания - это относительные движения атомных ядер, которые изучаются как с помощью инфракрасной, так и рамановской спектроскопии . Электронные возбуждения изучаются методами видимой и ультрафиолетовой спектроскопии, а такжефлуоресцентная спектроскопия .

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 расширенные формы приводит к созданию дополнительных энергетических состояний. Эти состояния многочисленны и поэтому имеют высокую плотность состояний. Эта высокая плотность часто делает спектры слабее и менее отчетливыми, т. Е. Шире. Например, излучение абсолютно черного тела возникает из-за теплового движения атомов и молекул внутри материала. Акустические и механические реакции также связаны с коллективными движениями. Однако чистые кристаллы могут иметь отчетливые спектральные переходы, и расположение кристаллов также влияет на наблюдаемые молекулярные спектры. Регулярная структура кристаллической решетки 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 спектрам гамма-лучей . Определенные состояния ядерного спина могут иметь свою энергию, разделенную магнитным полем, и это позволяет проводить спектроскопию ядерного магнитного резонанса .

Другие типы

Этот раздел представлен в виде списка , но его можно читать как прозу . Вы можете помочь, преобразовав этот раздел , если это необходимо. Доступна помощь по редактированию . ( Апрель 2016 г. )

Другие типы спектроскопии различаются конкретными приложениями или реализациями:

• Спектроскопия акустического резонанса основана на звуковых волнах в основном в слышимой и ультразвуковой областях.
• Электронная оже-спектроскопия - это метод, используемый для исследования поверхности материалов в микромасштабе. Его часто используют в электронной микроскопии.
• Резонаторная кольцевая спектроскопия
• Спектроскопия кругового дихроизма
• Когерентная антистоксова рамановская спектроскопия - это недавний метод, который имеет высокую чувствительность и мощные приложения для спектроскопии и визуализации in vivo . ^[10]
• Атомно-флуоресцентная спектроскопия холодного пара
• Корреляционная спектроскопия включает несколько типов двумерной ЯМР-спектроскопии.
• Переходная спектроскопия на глубоком уровне измеряет концентрацию и анализирует параметры электрически активных дефектов в полупроводниковых материалах.
• Диэлектрическая спектроскопия
• Интерферометрия с двойной поляризацией измеряет действительную и мнимую составляющие комплексного показателя преломления.
• Спектроскопия потерь энергии электронов в просвечивающей электронной микроскопии.
• Электронная феноменологическая спектроскопия измеряет физико-химические свойства и характеристики электронной структуры многокомпонентных и сложных молекулярных систем.
• Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса
• Силовая спектроскопия
• Спектроскопия с преобразованием Фурье является эффективным методом обработки спектральных данных, полученных с помощью интерферометров. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье - это обычная реализация инфракрасной спектроскопии. ЯМР также использует преобразование Фурье .
• Адронная спектроскопия изучает спектр энергии / массы адронов в соответствии со спином , четностью и другими свойствами частиц. Барионная спектроскопия и мезонная спектроскопия - это разновидности адронной спектроскопии.
• Гиперспектральная визуализация - это метод создания полной картины окружающей среды или различных объектов, при этом каждый пиксель содержит полный видимый, видимый ближний инфракрасный, ближний инфракрасный или инфракрасный спектр.
• В неупругой электронной туннельной спектроскопии используются изменения тока из-за неупругого электронно-колебательного взаимодействия при определенных энергиях, которые также могут измерять оптически запрещенные переходы.
• Неупругое рассеяние нейтронов похоже на рамановскую спектроскопию, но вместо фотонов используются нейтроны.
• Спектроскопия лазерного пробоя , также называемая спектрометрией лазерно-индуцированной плазмы
• В лазерной спектроскопии используются перестраиваемые лазеры ^[11] и другие типы источников когерентного излучения, такие как оптические параметрические генераторы ^[12], для селективного возбуждения атомных или молекулярных частиц.
• Масс-спектроскопия - это исторический термин, используемый для обозначения масс-спектрометрии . В настоящее время рекомендуется использовать последний термин. ^[13] Термин «масс-спектроскопия» возник при использовании люминофорных экранов для обнаружения ионов.
• Мессбауэровская спектроскопия исследует свойства конкретных изотопных ядер в различных атомных средах путем анализа резонансного поглощения гамма-лучей . См. Также эффект Мёссбауэра .
• Многомерные оптические вычисления - это метод оптического зондирования со сжатием , обычно используемый в суровых условиях, который напрямую вычисляет химическую информацию из спектра в виде аналогового выхода.
• Спектроскопия нейтронного спинового эха измеряет внутреннюю динамику белков и других систем мягкой материи .
• Нарушенная угловая корреляция (PAC) использует радиоактивные ядра в качестве зонда для изучения электрических и магнитных полей ( сверхтонких взаимодействий ) в кристаллах ( конденсированное вещество ) и биомолекулах.
• Фотоакустическая спектроскопия измеряет звуковые волны, возникающие при поглощении излучения.
• Фотоэмиссионная спектроскопия
• Фототермическая спектроскопия измеряет тепло, выделяющееся при поглощении излучения.
• В спектроскопии «накачка-зонд» можно использовать сверхбыстрые лазерные импульсы для измерения промежуточных продуктов реакции в фемтосекундной шкале времени.
• Рамановская спектроскопия оптической активности использует комбинационное рассеяние и эффекты оптической активности для получения подробной информации о хиральных центрах в молекулах.
• Рамановская спектроскопия
• Насыщенная спектроскопия
• Сканирующая туннельная спектроскопия
• Спектрофотометрия
• Спектроскопия спинового шума отслеживает спонтанные флуктуации электронных и ядерных спинов. ^[14]
• Спектроскопия с временным разрешением измеряет скорость распада возбужденных состояний с использованием различных спектроскопических методов.
• Спектроскопия растяжения во времени ^{[15] [16]}
• Тепловая инфракрасная спектроскопия измеряет тепловое излучение, исходящее от материалов и поверхностей, и используется для определения типа связей, присутствующих в образце, а также их кристаллической среды. Эти методы широко используются химиками-органиками, минералогами и планетологами .
• Спектроскопия нестационарных решеток измеряет распространение квазичастиц. Он может отслеживать изменения в металлических материалах по мере их облучения.
• Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия
• Ультрафиолетовая видимая спектроскопия
• Спектроскопия колебательного кругового дихроизма
• Видео спектроскопия
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Приложения

Есть несколько приложений к спектроскопии в области медицины, физики, химии и астрономии. Воспользовавшись свойствами поглощения , спектроскопия может быть использована для идентификации определенных состояний природы. К таким примерам относятся:

• Cure мониторинга из композиционных материалов с использованием оптических волокон .
• Оцените время воздействия выветривания древесины с помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. ^[18]
• Измерение различных соединений в образцах пищевых продуктов с помощью абсорбционной спектроскопии как в видимом, так и в инфракрасном спектре.
• Измерение токсичных соединений в образцах крови
• Неразрушающий элементный анализ методом рентгенофлуоресценции .
• Исследование электронной структуры с помощью различных спектроскопов.
• Радар для определения скорости и скорости удаленного объекта
• Определение физических свойств далекой звезды или ближайшей экзопланеты с помощью релятивистского эффекта Доплера . ^[19]
• Определение пола in-ovo : спектроскопия позволяет определить пол яйца во время вылупления. Обе страны, разработанные французскими и немецкими компаниями, решили запретить забой цыплят , в основном с помощью измельчителя, в 2022 году ^[20].

История

История спектроскопии началась с оптических экспериментов Исаака Ньютона (1666–1672). По словам Эндрю Фракной и Дэвида Моррисона , «В 1672 году в первой статье, которую он представил Королевскому обществу , Исаак Ньютон описал эксперимент, в котором он позволил солнечному свету проходить через маленькое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет , который нам кажется белым, на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги ". ^[21] Ньютон применил слово «спектр» для описания радуги цветов, которые объединяются, чтобы сформировать белый свет и которые раскрываются, когда белый свет проходит через призму.

Фракной и Моррисон заявляют, что «В 1802 году Уильям Хайд Волластон построил улучшенный спектрометр, который включал в себя линзу для фокусировки солнечного спектра на экране. При использовании Волластон понял, что цвета не распределяются равномерно, а вместо этого имеют отсутствующие участки цветов, которые проявлялись в виде темных полос в спектре ". ^[21] В начале 1800-х годов Йозеф фон Фраунгофердобился экспериментальных успехов с дисперсионными спектрометрами, которые позволили спектроскопии стать более точным и количественным научным методом. С тех пор спектроскопия играла и продолжает играть важную роль в химии, физике и астрономии. Пер Фракной и Моррисон: «Позже, в 1815 году, немецкий физик Йозеф Фраунгофер также исследовал спектр Солнца и обнаружил около 600 таких темных линий (отсутствующие цвета), которые теперь известны как линии Фраунгофера или линии поглощения». ^{[21] [ нужен лучший источник ]}

Смотрите также

Примечания

использованная литература

• Джон М. Чалмерс; Питер Гриффитс, ред. (2006). Справочник по колебательной спектроскопии . Нью-Йорк: Вили. DOI : 10.1002 / 0470027320 . ISBN 978-0-471-98847-2.
• Джерри Уоркман; Арт Спрингстин, ред. (1998). Прикладная спектроскопия . Бостон: Academic Press. ISBN 978-0-08-052749-9.
• Питер М. Скрабаль (2012). Спектроскопия - междисциплинарное комплексное описание спектроскопии от УФ до ЯМР (электронная книга) . ETH Zurich: vdf Hochschulverlag AG. DOI : 10.3218 / 3385-4 . ISBN 978-3-7281-3385-4.

внешние ссылки

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Спектроскопия

Поищите информацию о спектроскопии в Викисловаре, бесплатном словаре.

Викискладе есть медиафайлы по спектроскопии .

• Ссылки на спектроскопию в Curlie
• Ссылки любительской спектроскопии в Curlie
• Базы данных атомной спектроскопии NIST
• История спектроскопии MIT Spectroscopy Lab
• Хронология спектроскопии
• Спектроскопия: чтение радуги