Spectroscopia este studiul interacțiunii dintre materie și radiațiile electromagnetice. Din punct de vedere istoric, spectroscopia a provenit din studiul luminii vizibile dispersate în funcție de lungimea de undă, de o prismă. Mai târziu, conceptul a fost extins foarte mult pentru a include orice interacțiune cu energia radiativă, în funcție de lungimea de undă sau de frecvența sa. Datele spectroscopice sunt adesea reprezentate de un spectru de emisie, un grafic al răspunsului de interes ca funcție de lungimea de undă sau de frecvență.
Spectroscopia și spectrografia sunt termeni folosiți pentru a se referi la măsurarea intensității radiațiilor ca funcție a lungimii de undă și sunt adesea utilizați pentru a descrie metodele spectroscopice experimentale. Dispozitivele de măsurare spectrală sunt denumite spectrometre, spectrofotometre, spectrografe sau analizoare spectrale.
Observațiile zilnice ale culorii pot fi legate de spectroscopie. Iluminarea cu neon este o aplicație directă a spectroscopiei atomice. Neonul și alte gaze nobile au frecvențe caracteristice ale emisiilor (culori). Lămpile cu neon utilizează coliziunea electronilor cu gazul pentru a excita aceste emisii. Cernelurile și vopselele includ compuși chimici selectați pentru caracteristicile lor spectrale pentru a genera culori și nuanțe specifice. Un spectru molecular frecvent întâlnit este cel al dioxidului de azot. Dioxidul de azot gazos are o caracteristică caracteristică de absorbție roșie, ceea ce conferă aerului poluat cu dioxid de azot o culoare maro-roșcat. Împrăștierea Rayleigh este un fenomen de dispersie spectroscopică care reflectă culoarea cerului.
Studiile spectroscopice au fost esențiale pentru dezvoltarea mecanicii cuantice și au inclus explicația lui Max Planck despre radiația corpului negru, explicația lui Albert Einstein despre efectul fotoelectric și explicația lui Niels Bohr despre structura și spectrul atomic. Spectroscopia este utilizată în chimia fizică și analitică, deoarece atomii și moleculele au spectre unice. Ca rezultat, aceste spectre pot fi folosite pentru a detecta, identifica și cuantifica informații despre atomi și molecule. Spectroscopia este folosită și în astronomie și teledetecție pe Pământ. Cele mai multe telescoape de cercetare au spectrografe. Spectrele măsurate sunt utilizate pentru a determina compoziția chimică și proprietățile fizice ale obiectelor astronomice (cum ar fi temperatura și viteza lor).
Teorie
(Liniile de absorbție pentru aer, sub iluminare indirectă, cu sursa directă de lumină care nu este vizibilă, astfel că gazul nu se găsește direct între sursă și detector. Aici, liniile Fraunhofer în lumina soarelui și împrăștierea Rayleigh a acestei lumini solare este “sursa”. Acesta este spectrul unui cer albastru oarecum apropiat de orizont, indicând spre est, la o oră în jurul valorii de 3 sau 4 pm (ie, Soarele la vest) într-o zi senină.)
Unul dintre conceptele centrale din spectroscopie este cel de rezonanță și frecvența rezonantă corespunzătoare. Rezonanțele au fost mai întâi caracterizate în sisteme mecanice, cum ar fi pendulurile. Sistemele mecanice care vibrează sau oscilează vor avea oscilații mari de amplitudine atunci când sunt conduse la frecvența lor rezonantă. Un grafic de amplitudine vs. frecvență de excitație va avea un vârf centrat la frecvența de rezonanță. Acest grafic este unul de tip spectru, cu vârful adesea denumit ca fiind o linie spectrală, iar cele mai multe linii spectrale au un aspect similar.
În sistemele mecanice cuantice, rezonanța analogică este o cuplare a două stări staționare mecanice cuantice ale unui sistem, cum ar fi un atom, printr-o sursă de energie oscilantă, cum ar fi un foton. Cuplarea celor două stări este mai puternică atunci când energia sursei se potrivește cu diferența energetică dintre cele două stări. Energia (E) a unui foton este legată de frecvența sa (ν), E = h ν, unde h este constanta lui Planck, și astfel un spectru al răspunsului sistemului față de frecvența fotonului va atinge vârful la frecvența sau energia rezonantă . Particulele precum electronii și neutronii au o relație comparabilă, relațiile de Broglie, între energia lor cinetică și lungimea de undă sau frecvența lor și, prin urmare, pot, de asemenea, să stimuleze interacțiunile rezonante.
Spectrele atomilor și moleculelor constau adesea dintr-o serie de linii spectrale, fiecare reprezentând o rezonanță între două stări cuantice diferite. Explicația acestor serii și modelele spectrale asociate cu acestea au fost una dintre enigmele experimentale care au condus la dezvoltarea și acceptarea mecanicii cuantice. Seria spectrală a hidrogenului a fost prima explicată cu succes prin modelul cuantic Rutherford-Bohr al atomului de hidrogen. În unele cazuri, liniile spectrale sunt bine separate și distincte, dar liniile spectrale se pot suprapune și par a fi o tranziție unică dacă densitatea stărilor de energie este suficient de mare. Seriile de linii numite includ seriile principale, ascuțite, difuze și fundamentale.
Atomii
Spectroscopia atomică a fost prima aplicație de spectroscopie dezvoltată. Spectroscopia de absorbție atomică (AAS) și spectroscopia de emisie atomică (AES) implică lumină vizibilă și ultravioletă. Aceste absorbții și emisii, adesea denumite linii spectrale atomice, se datorează tranzițiilor electronice ale electronilor învelișului exterior, în timp ce se ridică și cad dintr-o orbită electronică în alta. Atomii au, de asemenea, spectre distincte de raze X care se pot atribui excitației electronilor învelișurilor interioare la stările excitate.
Atomii diferitelor elemente au spectre distincte și, prin urmare, spectroscopia atomică permite identificarea și cuantificarea compoziției elementare a eșantionului. Robert Bunsen și Gustav Kirchhoff au descoperit elemente noi prin observarea spectrelor lor de emisie. Linii de absorbție atomică sunt observate în spectrul solar și denumite linii Fraunhofer după descoperitorul lor. O explicație cuprinzătoare a spectrului de hidrogen a fost un succes timpuriu al mecanicii cuantice și a explicat deplasarea Lamb observată în spectrul de hidrogen, care a dus în continuare la dezvoltarea electrodinamicii cuantice.
Aplicațiile moderne ale spectroscopiei atomice pentru studierea tranzițiilor vizibile și ultraviolete includ spectroscopia de emisie cu flacără, spectroscopia de emisie atomică cu plasmă cuplată inductiv, spectroscopia cu descărcare luminescentă, spectroscopia cu plasmă indusă de microunde și spectroscopia emisiilor cu arc sau scânteie. Tehnicile pentru studierea spectrelor de raze X includ spectroscopia cu raze X și fluorescența cu raze X (XRF).
Linii spectrale
(Spectru continuu)
(Linii de emisie)
(Linii de absorbție)
O linie spectrală este o linie întunecată sau strălucitoare într-un spectru altfel uniform și continuu, care rezultă din emisia sau absorbția luminii într-un interval de frecvență îngust, în comparație cu frecvențele din apropiere. Liniile spectrale sunt adesea folosite pentru a identifica atomii și moleculele. Aceste “amprente digitale” pot fi comparate cu “amprentele digitale” obținute anterior de atomi și molecule și sunt astfel folosite pentru a identifica componentele atomice și moleculare ale stelelor și planetelor care altfel ar fi imposibile.
Tipuri de spectre de linii
Liniile spectrale sunt rezultatul interacțiunii dintre un sistem cuantic (de obicei atomi, dar uneori molecule sau nuclee atomice) și un singur foton. Atunci când un foton are aproximativ cantitatea de energie necesară pentru a permite o schimbare a stării energetice a sistemului (în cazul unui atom, acesta este, de obicei, un orbital de schimbare a electronilor), fotonul este absorbit. Apoi va fi re-emis spontan, fie în aceeași frecvență ca și originalul fie într-o cascadă, unde suma energiilor fotonilor emise va fi egală cu energia celui absorbit (presupunând că sistemul revine la starea originală).
O linie spectrală poate fi observată fie ca linie de emisie, fie ca linie de absorbție. Ce tip de linie este observat depinde de tipul de material și de temperatura acestuia față de altă sursă de emisie. O linie de absorbție este produsă atunci când fotoni dintr-o sursă de spectru larg și fierbinte trec printr-un material rece. Intensitatea luminii, pe un interval de frecvență îngust, este redusă datorită absorbției de material și re-emisiei în direcții aleatorii. Dimpotrivă, se produce o linie de emisie luminoasă atunci când fotonii dintr-un material fierbinte sunt detectați în prezența unui spectru larg dintr-o sursă rece. Intensitatea luminii, pe o gamă îngustă de frecvențe, este mărită datorită emisiei de material.
Liniile spectrale sunt foarte specifice atomului și pot fi folosite pentru a identifica compoziția chimică a oricărui mediu capabil să lase lumina să treacă prin ea (de obicei se utilizează gaz). Mai multe elemente au fost descoperite prin mijloace spectroscopice, cum ar fi heliu, taliu și ceriu. Liniile spectrale depind, de asemenea, de condițiile fizice ale gazului, astfel încât acestea sunt folosite pe scară largă pentru a determina compoziția chimică a stelelor și a altor corpuri cerești care nu pot fi analizate prin alte mijloace, precum și condițiile lor fizice.
Există și alte mecanisme, pe lângă interacțiunea atom-foton, care pot produce linii spectrale. În funcție de interacțiunea fizică exactă (cu molecule, particule individuale etc.), frecvența fotonilor implicați va varia foarte mult și liniile pot fi observate pe întreg spectrul electromagnetic, de la unde radio la raze gamma.
Lasă un răspuns