Spektroskopie - Spectroscopy
![]() | tento článek potřebuje další citace pro ověření.Dubna 2016) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |

Spektroskopie je studium interakce mezi hmota a elektromagnetické záření jako funkce vlnové délky nebo frekvence záření.[1][2][3][4][5][6] Historicky spektroskopie vznikla jako studium závislosti vlnové délky absorpce hmotou plynné fáze viditelné světlo rozptýlen a hranol. Hmotové vlny a akustické vlny lze také považovat za formy radiační energie a nedávno gravitační vlny byly spojeny se spektrálním podpisem v kontextu Laserový interferometr Gravitační vlnová observatoř (LIGO).
Spektroskopie, primárně v elektromagnetickém spektru, je základním průzkumným nástrojem v oblastech fyzika, chemie, a astronomie, což umožňuje zkoumat složení, fyzickou strukturu a elektronovou strukturu hmoty na atomu, molekulární a makro měřítko a znovu astronomické vzdálenosti. Důležité aplikace vznikají z biomedicínská spektroskopie v oblastech tkáň analýza a lékařské zobrazování.
Úvod
Spektroskopie a spektrografie jsou termíny používané k označení intenzity záření jako funkce vlnové délky a jsou často používány k popisu experimentální spektroskopické metody. Spektrální měřicí zařízení se označují jako spektrometry, spektrofotometry, spektrografy nebo spektrální analyzátory.
Denní pozorování barva může souviset se spektroskopií. Neonové osvětlení je přímá aplikace atomová spektroskopie. Neon a další vzácné plyny mají charakteristické emisní frekvence (barvy). Neonové lampy používají ke excitaci těchto emisí kolizi elektronů s plynem. Inkousty, barviva a barvy zahrnují chemické sloučeniny vybrané pro jejich spektrální charakteristiky za účelem generování specifických barev a odstínů. Běžně se setkáváme molekulární spektrum je to z oxid dusičitý. Plynný oxid dusičitý má charakteristickou červenou absorpční vlastnost, což dává vzduchu znečištěnému oxidem dusičitým červenohnědou barvu. Rayleighův rozptyl je spektroskopický rozptylový jev, který odpovídá barvě oblohy.
Spektroskopické studie byly ústředním bodem vývoje kvantová mechanika a zahrnuty Max Planck vysvětlení záření černého těla, Albert Einstein vysvětlení fotoelektrický efekt a Niels Bohr vysvětlení atomová struktura a spektra. Spektroskopie se používá v fyzický a analytická chemie protože atomy a molekuly mít jedinečná spektra. Ve výsledku mohou být tato spektra použita k detekci, identifikaci a kvantifikaci informací o atomech a molekulách. Spektroskopie se také používá v astronomie a dálkový průzkum Země na Zemi. Většina výzkumu dalekohledy mít spektrografy. Měřená spektra se používají ke stanovení chemického složení a fyzikální vlastnosti z astronomické objekty (například jejich teplota a rychlost ).
Teorie
Jedním z ústředních konceptů ve spektroskopii je a rezonance a jeho odpovídající rezonanční frekvence. Rezonance byly nejprve charakterizovány v mechanických systémech, jako jsou kyvadla. Mechanické systémy, které vibrují nebo oscilují, zažijí velké amplitudové oscilace, když jsou poháněny rezonanční frekvencí. Graf amplitudy vs. budicí frekvence bude mít vrchol soustředěný na rezonanční frekvenci. Tento graf je jedním typem spektrum, s vrcholem často označovaným jako a spektrální čára a většina spektrální čáry mají podobný vzhled.
V kvantově mechanických systémech je analogická rezonance spojením dvou kvantově mechanických systémů stacionární stavy jednoho systému, například atom prostřednictvím oscilačního zdroje energie, jako je a foton. Spojení dvou stavů je nejsilnější, když se energie zdroje shoduje s energetickým rozdílem mezi těmito dvěma stavy. Energie fotonu souvisí s jeho frekvencí podle kde je Planckova konstanta, a tak spektrum odezvy systému vs. frekvence fotonu bude vrcholit na rezonanční frekvenci nebo energii. Částice jako např elektrony a neutrony mají srovnatelný vztah, de Broglieho vztahy, mezi jejich kinetickou energií a jejich vlnovou délkou a frekvencí, a proto mohou také vzrušovat rezonanční interakce.
Spektra atomů a molekul se často skládají z řady spektrálních čar, z nichž každá představuje rezonanci mezi dvěma různými kvantovými stavy. Vysvětlení těchto sérií a spektrální vzorce s nimi spojené byly jedním z experimentálních záhad, které řídily vývoj a přijetí kvantové mechaniky. The vodíková spektrální řada zejména byl poprvé úspěšně vysvětlen Rutherford-Bohrův kvantový model atomu vodíku. V některých případech jsou spektrální čáry dobře oddělené a rozlišitelné, ale spektrální čáry se mohou také překrývat a vypadat jako jediný přechod, pokud hustota energetických stavů je dostatečně vysoká. Pojmenované řady řádků zahrnují ředitel školy, ostrý, šířit a základní série.
Klasifikace metod
Spektroskopie je dostatečně široké pole, ve kterém existuje mnoho dílčích disciplín, z nichž každá má řadu implementací specifických spektroskopických technik. Různé implementace a techniky lze klasifikovat několika způsoby.
Typ radiační energie
Typy spektroskopie se liší podle typu radiační energie zapojené do interakce. V mnoha aplikacích je spektrum určováno měřením změn v intenzitě nebo frekvenci této energie. Mezi typy studované radiační energie patří:
- Elektromagnetická radiace byl prvním zdrojem energie použitým pro spektroskopické studie. Techniky využívající elektromagnetické záření jsou obvykle klasifikovány podle oblasti vlnových délek spektra a zahrnují mikrovlnná trouba, terahertz, infračervený, blízko infračerveného, ultrafialové viditelné, rentgen, a gama spektroskopie.
- Částice, kvůli jejich de Broglieho vlny, může být také zdrojem radiační energie. Oba elektron a neutronová spektroskopie se běžně používají. U částice je to Kinetická energie určuje jeho vlnovou délku.
- Akustická spektroskopie zahrnuje vyzařované tlakové vlny.
- Dynamická mechanická analýza lze použít k předávání vyzařovací energie, podobné akustickým vlnám, pevným materiálům.
Povaha interakce
Druhy spektroskopie lze také odlišit podle povahy interakce mezi energií a materiálem. Mezi tyto interakce patří:[5]
- Absorpční spektroskopie: K absorpci dochází, když je materiál ze zdroje záření absorbován materiálem. Absorpce se často určuje měřením podílu energie přenášené materiálem, přičemž absorpce snižuje přenášenou část.
- Emisní spektroskopie: Emise označuje, že materiál uvolňuje radiační energii. Materiál spektrum černého těla je spontánní emisní spektrum určené jeho teplotou. Tuto vlastnost lze měřit v infračerveném záření pomocí nástrojů, jako je atmosférický zářivý interferometr.[8] Emise mohou být také vyvolávány jinými zdroji energie, jako je plameny, jiskry, elektrické oblouky nebo elektromagnetické záření v případě fluorescence.
- Elastický rozptyl a odraz spektroskopie určuje, jak se dopadající záření odráží nebo rozptyluje materiálem. Krystalografie využívá rozptyl vysokoenergetického záření, jako jsou rentgenové paprsky a elektrony, ke zkoumání uspořádání atomů v proteinech a pevných krystalech.
- Impedanční spektroskopie: Impedance je schopnost média bránit nebo zpomalit propustnost energie. Pro optický to charakterizuje index lomu.
- Neelastický rozptyl jevy zahrnují výměnu energie mezi zářením a hmotou, která posouvá vlnovou délku rozptýleného záření. Tyto zahrnují Raman a Comptonův rozptyl.
- Koherentní nebo rezonanční spektroskopie jsou techniky, kde radiační energie spojuje dva kvantové stavy materiálu v a koherentní interakce, která je udržována vyzařovacím polem. Soudržnost může být narušena dalšími interakcemi, jako jsou srážky částic a přenos energie, a proto často vyžaduje udržení vysoké intenzity záření. Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR) je široce používaná rezonanční metoda a ultrarychlá laserová spektroskopie je také možné v infračervené a viditelné spektrální oblasti.
- Jaderná spektroskopie jsou metody, které využívají vlastnosti konkrétního jádra zkoumat místní struktura hlavně v hmotě kondenzovaná hmota, molekuly v kapalinách nebo zmrazených kapalinách a biomolekulách.
Druh materiálu
Spektroskopické studie jsou navrženy tak, aby zářivá energie interagovala s konkrétními typy látek.
Atomy
Atomová spektroskopie byla první vyvinutá aplikace spektroskopie. Atomová absorpční spektroskopie a atomová emisní spektroskopie zapojit viditelné a ultrafialové světlo. Tyto absorpce a emise, často označované jako atomové spektrální čáry, jsou způsobeny elektronické přechody elektronů vnějšího obalu, jak stoupají a klesají z jedné elektronové dráhy na druhou. Atomy mají také odlišná rentgenová spektra, která lze přičíst excitaci elektronů vnitřního obalu do excitovaných stavů.
Atomy různých prvků mají odlišná spektra, a proto atomová spektroskopie umožňuje identifikaci a kvantifikaci elementárního složení vzorku. Po vynalezení spektroskopu Robert Bunsen a Gustav Kirchhoff objevili nové prvky pozorováním jejich emisních spekter. Atomové absorpční čáry jsou pozorovány ve slunečním spektru a označovány jako Fraunhoferovy linie po jejich objeviteli. Komplexní vysvětlení vodíkové spektrum byl časný úspěch kvantové mechaniky a vysvětlil Jehněčí posun pozorováno ve vodíkovém spektru, což dále vedlo k vývoji kvantová elektrodynamika.
Mezi moderní implementace atomové spektroskopie pro studium viditelných a ultrafialových přechodů patří emisní spektroskopie plamene, atomová emisní spektroskopie s indukčně vázanou plazmou, spektroskopie s výbojem, mikrovlnná indukovaná plazma spektroskopie a emisní spektroskopie jisker nebo oblouků. Mezi techniky pro studium rentgenových spekter patří Rentgenová spektroskopie a Rentgenová fluorescence.
Molekuly
Kombinace atomů do molekul vede k vytvoření jedinečných typů energetických stavů, a tedy jedinečných spekter přechodů mezi těmito stavy. Molekulární spektra lze získat díky elektronovým spinovým stavům (elektronová paramagnetická rezonance ), molekulární rotace, molekulární vibrace a elektronické stavy. Rotace jsou kolektivní pohyby atomových jader a obvykle vedou ke spektrům ve spektrálních oblastech mikrovlnných a milimetrových vln. Rotační spektroskopie a mikrovlnná spektroskopie jsou synonyma. Vibrace jsou relativní pohyby atomových jader a jsou studovány jak infračervenými, tak i Ramanova spektroskopie. Elektronické excitace jsou studovány pomocí viditelné a ultrafialové spektroskopie a také fluorescenční spektroskopie.
Studie molekulární spektroskopie vedly k vývoji první maser a přispěl k následnému rozvoji laser.
Krystaly a rozšířené materiály
Kombinace atomů nebo molekul do krystalů nebo jiných rozšířených forem vede k vytvoření dalších energetických stavů. Těchto stavů je mnoho a proto mají vysokou hustotu stavů. Tato vysoká hustota často činí spektra slabšími a méně výraznými, tj. Širšími. Například záření černého tělesa je způsobeno tepelnými pohyby atomů a molekul v materiálu. Akustické a mechanické reakce jsou také způsobeny kolektivními pohyby. Čisté krystaly však mohou mít odlišné spektrální přechody a uspořádání krystalů má také vliv na pozorovaná molekulární spektra. Pravidelný příhradová struktura krystalů také rozptyluje rentgenové paprsky, elektrony nebo neutrony, což umožňuje krystalografické studie.
Jádra
Jádra mají také odlišné energetické stavy, které jsou široce oddělené a vedou k nim gama paprsek spektra. Odlišné stavy jaderné rotace mohou mít svou energii oddělenou magnetickým polem, což to umožňuje spektroskopie nukleární magnetické rezonance.
Jiné typy
![]() |
Jiné typy spektroskopie se vyznačují konkrétními aplikacemi nebo implementacemi:
- Akustická rezonanční spektroskopie je založen na zvukových vlnách primárně v slyšitelný a ultrazvukové regionech.
- Augerova elektronová spektroskopie je metoda používaná ke studiu povrchů materiálů v mikroskopickém měřítku. Často se používá ve spojení s elektronovou mikroskopií.
- Dutinová ring-down spektroskopie
- Kruhový dichroismus spektroskopie
- Koherentní anti-Stokesova Ramanova spektroskopie je nedávná technika, která má vysokou citlivost a výkonné aplikace pro in vivo spektroskopie a zobrazování.[9]
- Atomová fluorescenční spektroskopie studených par
- Korelační spektroskopie zahrnuje několik typů dvourozměrné NMR spektroskopie.
- Hluboká přechodná spektroskopie měří koncentraci a analyzuje parametry elektricky aktivních defektů v polovodičové materiály.
- Dielektrická spektroskopie
- Duální polarizační interferometrie měří skutečné a imaginární složky komplexního indexu lomu.
- Spektroskopie ztráty elektronové energie v transmisní elektronové mikroskopii.
- Elektronová fenomenologická spektroskopie měří fyzikálně-chemické vlastnosti a vlastnosti elektronické struktury vícesložkových a složitých molekulárních systémů.
- Elektronová paramagnetická rezonance spektroskopie
- Silová spektroskopie
- Fourierova transformace spektroskopie je efektivní metoda pro zpracování dat spekter získaných pomocí interferometrů. Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací je běžná implementace infračervené spektroskopie. NMR také zaměstnává Fourierovy transformace.
- Hadronová spektroskopie studuje energetické / hmotnostní spektrum hadronů podle roztočit, parita a další vlastnosti částic. Baryonová spektroskopie a mezonová spektroskopie jsou typy hadronové spektroskopie.
- Hyperspektrální zobrazování je metoda k vytvoření úplného obrazu prostředí nebo různých objektů, přičemž každý pixel obsahuje úplné viditelné, viditelné blízko infračerveného, blízkého infračerveného nebo infračerveného spektra.
- Neelastická tunelová elektronová spektroskopie využívá změny proudu v důsledku nepružné interakce elektron-vibrace při specifických energiích, které mohou měřit také opticky zakázané přechody.
- Neelastický rozptyl neutronů je podobný Ramanově spektroskopii, ale místo fotonů používá neutrony.
- Laserem indukovaná poruchová spektroskopie, nazývaná také laserem indukovaná plazmová spektrometrie
- Použití laserové spektroskopie laditelné lasery[10] a další typy koherentních zdrojů emisí, jako jsou optické parametrické oscilátory,[11] pro selektivní excitaci atomových nebo molekulárních druhů.
- Hmotová spektroskopie je historický termín používaný k označení hmotnostní spektrometrie. Současným doporučením je použít druhý termín.[12] Termín "hmotnostní spektroskopie" vznikl při použití fosfor obrazovky pro detekci iontů.
- Mössbauerova spektroskopie sondy vlastnosti specifické izotopový jádra v různých atomových prostředích analýzou rezonanční absorpce gama paprsky. Viz také Mössbauerův efekt.
- Vícerozměrné optické výpočty je všeoptický komprimované snímání technika, obvykle používaná v drsných podmínkách, která přímo vypočítává chemické informace ze spektra jako analogový výstup.
- Neutronová spinová ozvěna spektroskopie měří vnitřní dynamiku v proteinech a dalších měkká hmota systémy.
- Porušená úhlová korelace (PAC) používá radioaktivní jádra jako sondu ke studiu elektrických a magnetických polí (hyperjemné interakce ) v krystalech (kondenzovaná hmota ) a bio-molekuly.
- Fotoakustická spektroskopie měří zvukové vlny produkované při absorpci záření.
- Fotoemisní spektroskopie
- Fototermální spektroskopie měří teplo vyvíjené při absorpci záření.
- Spektroskopie čerpadla a sondy může k měření používat ultrarychlé laserové pulsy reakční meziprodukty ve femtosekundovém časovém měřítku.
- Ramanova optická aktivita spektroskopie využívá Ramanův rozptyl a účinky optické aktivity k odhalení podrobných informací o chirálních centrech v molekulách.
- Ramanova spektroskopie
- Nasycená spektroskopie
- Skenovací tunelovací spektroskopie
- Spektrofotometrie
- Spinová šumová spektroskopie sleduje spontánní fluktuace elektronických a jaderných spinů.[13]
- Časově rozlišená spektroskopie měří rychlosti rozpadu excitovaných stavů pomocí různých spektroskopických metod.
- Časový úsek spektroskopie[14][15]
- Tepelná infračervená spektroskopie měří tepelné záření vyzařované z materiálů a povrchů a používá se k určení typu vazeb přítomných ve vzorku i jejich mřížkového prostředí. Techniky jsou široce používány organickými chemiky, mineralogové, a planetární vědci.
- Přechodná mřížková spektroskopie měří šíření kvazičástic. Může sledovat změny v kovových materiálech při jejich ozařování.
- Ultrafialová fotoelektronová spektroskopie
- Ultrafialová viditelná spektroskopie
- Vibrační kruhový dichroismus spektroskopie
- Video spektroskopie
- Rentgenová fotoelektronová spektroskopie
Aplikace

- Monitorování léčby z kompozity použitím optická vlákna.
- Odhad času expozice zvětralého dřeva pomocí infračervené spektroskopie.[17]
- Měření různých sloučenin ve vzorcích potravin absorpční spektroskopií ve viditelném i infračerveném spektru.
- Měření toxických sloučenin ve vzorcích krve
- Nedestruktivní elementární analýza Rentgenová fluorescence.
- Výzkum elektronové struktury s různými spektroskopy.
Dějiny
Historie spektroskopie začala Isaac Newton experimenty s optikou (1666–1672). Podle Andrew Fraknoi a David Morrison „V roce 1672 v prvním příspěvku, který předložil královská společnost Isaac Newton popsal experiment, při kterém dovolil slunečnímu záření projít malou dírou a poté hranolem. Newton zjistil, že sluneční světlo, které pro nás vypadá bílé, je ve skutečnosti tvořeno směsí všech barev duhy. “[18] Newton použil slovo „spektrum“ k popisu duhy barev, které se spojily a vytvořily bílé světlo a které se odhalí při průchodu bílého světla hranolem.
Fraknoi a Morrison tvrdí, že „V roce 1802 William Hyde Wollaston postavil vylepšený spektrometr, který zahrnoval čočku pro zaostření spektra Slunce na obrazovku. Po použití si Wollaston uvědomil, že barvy nejsou rozloženy rovnoměrně, ale místo toho mu chybí barevné skvrny, které ve spektru vypadají jako tmavé pruhy. “[18] Na počátku 18. století Joseph von Fraunhofer udělal experimentální pokroky s disperzními spektrometry, které umožnily, aby se spektroskopie stala přesnější a kvantitativnější vědeckou technikou. Od té doby spektroskopie hraje a nadále hraje významnou roli v chemii, fyzice a astronomii. Per Fraknoi a Morrison: „Později v roce 1815 německý fyzik Joseph Fraunhofer také prozkoumal sluneční spektrum a našel asi 600 takových tmavých čar (chybějící barvy), které jsou nyní známé jako Fraunhoferovy linie nebo absorpční linie.“[18][je zapotřebí lepší zdroj ]
Viz také
Poznámky
- ^ H. W. Kroto, Spektra molekulární rotace, Wiley, New York, 1975 (dotisk Dover 1992)
- ^ Philip R. Bunker a Per Jensen, Molekulární symetrie a spektroskopie,NRC Research Press, Ottawa, 1998 [1]ISBN 9780660196282
- ^ D. Papoušek a M. R. Aliev, Molekulární vibračně-rotační spektra Elsevier, Amsterdam, 1982
- ^ E. B. Wilson, J. C. Decius a P. C. Cross, Molekulární vibrace, McGraw-Hill, New York, 1955 (dotisk Dover 1980)
- ^ A b Crouch, Stanley; Skoog, Douglas A. (2007). Principy instrumentální analýzy. Austrálie: Thomson Brooks / Cole. ISBN 978-0-495-01201-6.
- ^ Herrmann, R .; C. Onkelinx (1986). „Veličiny a jednotky v klinické chemii: Nebulizátor a vlastnosti plamene v emisní a absorpční spektrometrii plamene (doporučení 1986)“. Čistá a aplikovaná chemie. 58 (12): 1737–1742. doi:10.1351 / pac198658121737. S2CID 96002955.
- ^ „Chuť ESPRESSA“. Citováno 15. září 2015.
- ^ Mariani, Z .; Strong, K .; Wolff, M .; Rowe, P .; Walden, V .; Fogal, P. F .; Duck, T .; Lesins, G .; Turner, D. S .; Cox, C .; Eloranta, E .; Drummond, J. R .; Roy, C .; Turner, D. D .; Hudak, D .; Lindenmaier, I. A. (2012). „Infračervená měření v Arktidě pomocí dvou interferometrů emitovaných zářením“. Atmos. Měření Tech. 5 (2): 329–344. Bibcode:2012 AMT ..... 5..329M. doi:10.5194 / amt-5-329-2012.
- ^ Evans, C. L .; Xie, X. S. (2008). „Koherentní anti-Stokesova Ramanova rozptylová mikroskopie: Chemické zobrazování pro biologii a medicínu“. Roční přehled analytické chemie. 1: 883–909. Bibcode:2008ARAC .... 1..883E. doi:10.1146 / annurev.anchem.1.031207.112754. PMID 20636101.
- ^ W. Demtröder, Laserová spektroskopie, 3. vyd. (Springer, 2003).
- ^ Brian Orr; J. G. Haub; Y. He; R. T. White (2016). "Spektroskopické aplikace pulzních laditelných optických parametrických oscilátorů". v F. J. Duarte (vyd.). Laditelné laserové aplikace (3. vyd.). Boca Raton: CRC Press. str. 17–142. ISBN 978-1-4822-6106-6.
- ^ Murray, Kermit K .; Boyd, Robert K .; Eberlin, Marcos N .; Langley, G. John; Li, Liang; Naito, Yasuhide (2013). „Definice pojmů souvisejících s hmotnostní spektrometrií (doporučení IUPAC 2013)“. Čistá a aplikovaná chemie. 85 (7): 1. doi:10.1351 / PAC-REC-06-04-06. ISSN 0033-4545.
- ^ N. A. Sinitsyn; Y. V. Pershin (2016). "Teorie spinové hlukové spektroskopie: recenze". Zprávy o pokroku ve fyzice. 79 (10): 106501. arXiv:1603.06858. Bibcode:2016RPPh ... 79j6501S. doi:10.1088/0034-4885/79/10/106501. PMID 27615689. S2CID 4393400.
- ^ Solli, D. R .; Chou, J .; Jalali, B. (2008). "Zesílená transformace vlnové délky v čase pro spektroskopii v reálném čase". Přírodní fotonika. 2 (1): 48–51. Bibcode:2008NaPho ... 2 ... 48S. doi:10.1038 / nphoton.2007.253.
- ^ Chou, Jason; Solli, Daniel R .; Jalali, Bahram (2008). "Spektroskopie v reálném čase se subgigahertzovým rozlišením pomocí amplifikované disperzní Fourierovy transformace". Aplikovaná fyzikální písmena. 92 (11): 111102. arXiv:0803.1654. Bibcode:2008ApPhL..92k1102C. doi:10.1063/1.2896652. S2CID 53056467.
- ^ „Poradenství pro média: Tisková konference k oznámení významných výsledků brazilských astronomů“. Oznámení ESO. Citováno 21. srpna 2013.
- ^ Wang, Xiping; Wacker, James P. (2006). „Použití NIR spektroskopie k předpovědi doby expozice zvětralého dřeva“ (PDF). WTCE 2006 - 9. světová konference o dřevařském inženýrství.
- ^ A b C Andrew Fraknoi; David Morrison (13. října 2016). „OpenStax Astronomy“.
Reference
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, eds. (2006). Příručka vibrační spektroskopie. New York: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.
- Jerry Workman; Art Springsteen, eds. (1998). Aplikovaná spektroskopie. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-08-052749-9.
- Peter M. Skrabal (2012). Spektroskopie - interdisciplinární integrální popis spektroskopie od UV po NMR (e-kniha). ETH Curych: vdf Hochschulverlag AG. doi:10.3218/3385-4. ISBN 978-3-7281-3385-4.