Регистрация Забыли свой пароль?
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:

Оптическая спектроскопия

Метод исследования спектров поглощения и испускания излучения видимого и ближних ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов длин волн.

Испускание света веществом обусловлено переходами электронов из более высокого энергетического состояния в более низкое. Частота излучения при этом является функцией разности энергий этих состояний. Соответственно, для наблюдения этого эффекта требуется перевести исследуемое вещество в возбужденное состояние. Делается это либо облучением электромагнитным излучением, либо нагревом, например пламенем или электрической дугой, либо другими методами. Изучая спектры испускания, можно делать выводы о строении и составе вещества.

spektr.jpg

Рис 1. Пример спектральной зависимости (зависимость интенсивности излучения от длины волны). Виден отчетливый пик в окрестности 300 нм (ближний УФ диапазон). Такой спектр излучения характерен для эксимерных (XeCl) ламп и лазеров

Спектры поглощения света также несут множество схожей полезной информации. Разница заключается лишь в том, что основной интерес представляет не испущенное излучение, а как раз поглощенное. Абсорбированная электромагнитная волна (фотон) приводит к переходу электрона с более низкого энергетического состояния в более высокое. Энергия, которая при этом поглощается, должна точно соответствовать энергетической разнице между уровнями. Поэтому набор пиков на спектральной зависимости также свидетельствует о наличии тех или иных электронных переходов, а значит и о строении и составе исследуемого вещества.

Различают несколько типов спектроскопии:

• Абсорбционная спектроскопия
Занимается исследованием спектров поглощения веществ в различных агрегатных состояниях. Основывается на эффекте поглощения электромагнитного излучения атомами или молекулами исследуемой среды. Когда свет проходит сквозь изучаемый образец, часть его поглощается, превращаясь в различные формы внутренней энергии вещества, и в результате интенсивность электромагнитного излучения на выходе уменьшается. Поглощательная способность вещества зависит от длины волны и поляризации падающего света, осей симметрии, строения молекул и атомов, наличия примесей и дефектов, а также внешних параметров, таких как наличие и величина внешних магнитного и электрического полей, температуры и т.д.

• Эмиссионная спектроскопия
В физике эмиссия – процесс, при котором частица с более высокого квантового состояния (уровня) «перепрыгивает» на более низкое с испусканием фотона. Частота излучения при этом является функцией энергии перехода, т.е. разности энергий этих состояний. Одной из изучаемых характеристик данного процесса является излучательная способность вещества, определяемая количеством испускаемого света. Для большинства веществ, излучательная способность характеризуется температурой и спектроскопическими особенностями. Важно отметить, что характер излучения твердых веществ мало зависит от состава вещества. Совсем другое дело – газы. В них спектральные пики однозначно определяют строение. Более того, анализируя спектр, можно определить процентное соотношение каждого из присутствующих химических элементов. Поэтому образцы в эмиссионной спектроскопии предварительно испаряются.

• Вакуумная и дальняя ультрафиолетовая спектроскопия
Разновидность спектроскопии, изучающая спектры испускания, отражения и поглощения света ультрафиолетового диапазона с длинами волн от 10 до 400 нм. Излучение в диапазоне от 10 до 185 нм очень хорошо поглощается кислородом, поэтому для проведения таких исследований резервуары с образцами наполняют непоглощающим газом или откачивают газ вовсе, создавая высокий вакуум. Отсюда и название - вакуумная ультрафиолетовая спектроскопия. Измерение спектров производится также как и в случае видимого излучения с той лишь разницей, что вместо обыкновенных стекол используются кварцевые, сапфировые или флюоритовые, не поглощающие УФ излучение. Возбудить ультрафиолетовое свечение можно различными способами: пламенем, дугой постоянного или переменного тока, ВЧ и СВЧ разрядом, лазерным излучением и т.д. В качестве источников обычно используются ртутные, ксеноновые, дейтериевые и другие газоразрядные лампы, твердые материалы, нагретые до температур порядка нескольких тысяч кельвинов, ультрафиолетовые лазеры. Еще раз отметим, что УФ спектроскопия изучает как спектры испускания, так и спектры поглощения и отражения.

• Флуоресцентная спектроскопия
Для начала стоит определить понятие люминесценции. Люминесценция - процесс эмиссии после поглощения веществом энергии источника света. Флуоресценция – частный случай люминесценции, где переход из состояния возбуждения (более высокого квантового состояния) в нормальное состояние посредством испускания фотона занимает порядка 10 нс. Исследования спектров флуоресценции могут дать качественную и количественную информацию о концентрации молекул в веществе и помочь построить диаграммы энергетических уровней. Как правило, измерения проводятся с помощью перестраиваемых лазеров непрерывного излучения, облучающих исследуемый образец. Молекулы и атомы образца переходят в возбужденное состояние, и затем детектор регистрирует флуоресценцию.

• Инфракрасная спектроскопия
Раздел спектроскопии изучающий длинноволновую часть спектра (от 750 нм). Излучение именно в этом диапазоне длин волн вызвано в первую очередь колебательным и отчасти вращательным движением молекул. Переходы электронов между колебательными и вращательными уровнями энергий способны как вызывать ИК излучение, так и поглощать его. Многие газы, такие как кислород, азот, хлор и др., хорошо поглощают эти ИК волны. В частности для угарного газа пик поглащательной способности приходится на длину волны 4.7 мкм. По ИК спектрам можно установить строение молекул различных веществ, где длина молекул не слишком велика (полимеры, ферментов, алкалоидов, антибиотиков и др.)

• Рамановская спектроскопия
Рамановская спектроскопия или спектроскопия вынужденного комбинационного рассеяния – один из наиболее эффективных и перспективных методов исследования веществ во всех агрегатных состояниях. Основывается данная методика на изучении рассеянного излучения после облучения образца. Дело в том, что небольшая часть этого изучения может испытывать сдвиги по частоте, соответствующие колебательным переходам молекул образца. Сами по себе рамановские сигналы очень слабы по сравнению с падающим излучением, поэтому их стараются усилить, применяя резонансные методики. К примеру, если лазерный источник настроен на переход в образце, резонансные эффекты могут усилить сигнал на несколько порядков. Основное использование рамановской спектроскопии заключается в анализе и исследовании молекулярных структур, обладающих различными электронными переходами в видимом диапазоне спектра.