Absorpční spektroskopie - Absorption spectroscopy


z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Přehled elektromagnetického záření absorpce . Tento příklad popisuje obecný princip použití viditelného světla jako specifický příklad. Bílý paprsek zdroj - emitující světlo různých vlnových délek - je zaměřen na vzorku (na komplementární barvy páry jsou označeny žlutými přerušovanými čarami). Na stahování vzorku, fotony , které odpovídají mezeru energie z molekul přítomno (zelené světlo v tomto příkladu) jsou absorbovány , aby rozrušit molekulu. Další fotony přenášet nedotčena a, v případě, že záření je ve viditelné oblasti (400-700nm), barva vzorku je komplementární barva absorbovaného světla. Porovnáním útlum přenášeného světla s incidentu, lze získat absorpční spektrum.
První přímá detekce a chemická analýza atmosféry o o exoplanety , v roce 2001 sodíku v atmosféře filtruje hvězd z HD 209458 jako obří planeta přechází před hvězdy.

Absorpční spektroskopie týká spektroskopické techniky, které měří absorpci na záření , jako funkce frekvence nebo vlnové délky , v důsledku jeho interakce s vzorku. Vzorek absorbuje energii, tedy fotony, z radiačního pole. Intenzita absorpce se mění jako funkce frekvence, a tato varianta je absorpční spektrum . Absorpční spektroskopie se provádí přes elektromagnetického spektra .

Absorpční spektroskopie se používá jako analytické chemie nástroj k určení přítomnosti určité látky ve vzorku, a v mnoha případech ke kvantifikaci množství látky podle vynálezu. Infračervené a ultrafialové, viditelné spektroskopie jsou běžné zejména v analytických aplikacích. Absorpční spektroskopie se také používá ve studiích molekulární a atomové fyziky, astronomické spektroskopie a dálkového průzkumu.

Existuje celá řada experimentálních přístupů k měření absorpční spektra. Nejobvyklejší uspořádání je pro směrování paprsku generovaného záření na vzorek a detekuje intenzitu záření, které prochází skrz něj. Přenášené energie může být použit pro výpočet absorpce. Zdroj, vzorek uspořádání a detekční technika se výrazně liší v závislosti na frekvenčním rozsahu a účelu experimentu.

absorpční spektrum

Solární spektrum s Fraunhofer linky , jak se jeví vizuálně.

Materiál je absorpční spektrum je podíl dopadajícího záření absorbovaného materiálu v rozsahu frekvencí. Absorpční spektrum je v první řadě určen atomové a molekulární složení materiálu. Záření je větší pravděpodobnost, že se absorbuje na frekvencích, které odpovídají energetický rozdíl mezi dvěma kvantově mechanických stavů molekul. Absorpční, ke kterému dochází v důsledku přechodu mezi dvěma stavy je označován jako absorpční linie a spektrum se typicky skládá z mnoha čar.

Frekvence, kde se vyskytují absorpční čáry, stejně jako jejich relativní intenzity, závisí především na elektronickém a molekulární struktury vzorku. Frekvence bude také záviset na interakci mezi molekulami ve vzorku, v krystalové struktuře v pevných látek, a na několika faktorech životního prostředí (např, teplota , tlak , elektromagnetické pole ). Tyto linky budou mít také šířku a tvar, které jsou v první řadě určeno k spektrální hustoty nebo hustoty stavů systému.

Teorie

Absorpční čáry jsou obvykle klasifikovány podle povahy kvantové mechaniky změny vyvolané v molekule nebo atomu. Rotační linky , například dojít, když se změní stav rotační molekuly. Rotační linky se typicky nacházejí v mikrovlnné oblasti spektra. Vibrační čáry odpovídají změnám v vibračního stavu molekuly a jsou obvykle nachází v infračervené oblasti. Elektronické čáry odpovídají změně elektronické stavu atomu nebo molekuly a jsou obvykle nachází ve viditelné a ultrafialové oblasti. Rentgenové absorpce jsou spojeny s excitací vnitřního obalu elektronů v atomu. Tyto změny mohou také být kombinovány (například rotační vibrační přechody ), což vede k novým absorpčních čar na kombinované energie dvou změn.

Energie spojená s kvantové mechaniky změny primárně určuje frekvenci absorpční čáry, ale frekvence může být posunuta o několik typů interakcí. Elektrické a magnetické pole může způsobit posun. Interakce s okolními molekulami může způsobit posun. Například, absorpční čáry molekuly v plynné fázi může významně posunout při že molekula je v kapalné nebo pevné fáze a interakci silněji se sousedními molekulami.

Šířka a tvar absorpčních čar jsou určeny pro použitý přístroj pro sledování, materiál absorbující záření a fyzického prostředí tohoto materiálu. Je běžné, že linky mají tvar Gaussova nebo Lorentzian distribuce. Je také běžné, že linie, které budou popsány pouze jeho intenzita a šířka místo celý tvar se vyznačuje tím.

Integrovaný intenzity získá integrací plochy pod absorpční linie-je přímo úměrná množství přítomného absorpční látky. Intenzita se také vztahuje k teplotě látky a kvantové mechaniky interakce mezi zářením a absorbéru. Tato interakce je kvantifikován přechodu momentu a závisí na konkrétním stavu nižší přechod začíná od a horní stav je spojen s.

Šířka absorpčních čar může být stanovena na spektrometru sloužit pro záznam. Spektrometr má vlastní limit na tom, jak úzká linka je možné vyřešit , a tak mohou být pozorovány šířka v tomto limitu. V případě, že šířka je větší, než je rozlišovací mez, pak je v první řadě určen pro prostředí absorbéru. Kapalného nebo pevného absorbéru, ve kterém sousední molekuly silně ovlivňovat spolu navzájem, má tendenci mít širší absorpční čáry než plyn. Zvýšení teploty nebo tlaku absorbujícího materiálu se mohou zvýšit šířku čáry. Je také běžné, že některé sousední přechody být tak blízko sebe, že jejich linie překrývají a výsledný celkový linie je tedy širší dosud.

Vztah k přenosové spektrum

Absorpce a přenos spektra představují ekvivalentní informace a je možné vypočítat z druhé pomocí matematického transformace. Převodové spektrum bude mít své maximální intenzitu při vlnových délkách, kde je absorpce nejslabší, protože více světlo prochází vzorkem. Absorpční spektrum bude mít své maximální intenzitu při vlnových délkách, kde je absorpce je nejsilnější.

Vztah k emisním spektrem

Emisní spektrum železa

Emise je proces, při kterém látka uvolňuje energie ve formě elektromagnetického záření. Emise může dojít při jakékoli frekvenci, při které může dojít k absorpci, a to umožňuje absorpční čáry, které mají být stanoveny z emisního spektra. Emisní spektrum bude typicky mít zcela odlišné intenzity vzorek z absorpčního spektra, i když, tak dva nejsou stejné. Absorpční spektrum je možno vypočítat z emisního spektra pomocí vhodných teoretických modelů a další informace o kvantově mechanických stavů látky.

Vztah k rozptylu a odrazu spekter

Rozptyl a odraz spektra z materiálu, jsou ovlivňovány jak svým indexem lomu a jeho absorpční spektrum. V optickém souvislosti se absorpční spektrum je obvykle kvantifikován extinkčního koeficientu , a extinkční a index koeficienty jsou kvantitativně spojené prostřednictvím vztahu Kramers-Kronigovy . Proto se absorpční spektrum může být odvozen z rozptylu nebo reflexní spektra. To obvykle vyžaduje zjednodušujících předpokladů nebo modelů, a tak odvozené absorpční spektrum je přibližná.

Aplikace

Infračervené absorpční spektrum NASA laboratorní oxidu siřičitého ledu ve srovnání s infračerveného absorpčního spektra zmrzliny na Jupiteru je měsíc, Io kreditní NASA, Bernard Schmitt a UKIRT .

Absorpční spektroskopie je užitečné v chemické analýze, protože jeho specifičnosti a jeho kvantitativní povahy. Specifičnost absorpčních spekter umožňuje sloučenin, které se od sebe odlišují ve směsi, takže absorpční spektroskopie použitelné v širokém spektru aplikací. Například, plynové analyzátory Infračervené mohou být použity pro identifikaci přítomnosti znečišťujících látek ve vzduchu, rozlišující znečišťujících látek z dusíku, kyslíku, vody a dalších očekávaných složek.

Specifičnost také umožňuje neznámé vzorky, které mají být identifikovány srovnáním naměřené spektrum s knihovnou referenčního spektra. V mnoha případech je možné stanovit kvalitativní informace o vzorku, i když to není v knihovně. Infračervená spektra, například, mít absorpční vlastnosti pásy, které indikují, zda jsou přítomny uhlík-vodík nebo uhlík-kyslík vazby.

Absorpční spektrum může být kvantitativně ve vztahu k množství přítomného materiálu s použitím zákon Beer-Lambert . Stanovení celkové koncentrace sloučeniny nutná znalost slouceniny absorpčního koeficientu . Koeficient absorpce pro některé sloučeniny, je k dispozici od referenčních zdrojů, a to může také být určena měřením spektra kalibračního standardu se známou koncentrací terče.

dálkový průzkum Země

Jednou z jedinečných výhod spektroskopie jako analytické metody je, že měření mohou být prováděna, aniž by přineslo přístroj a vzorku do kontaktu. Záření, které se pohybuje mezi vzorkem a nástroj bude obsahovat spektrální informace, takže měření lze provádět na dálku . Dálkový průzkum Země spektrální je cenná v mnoha situacích. Například měření mohou být provedena v toxických nebo nebezpečných prostředích bez uvedení provozovatele nebo nástroj v ohrožení. Také materiál vzorku nemusí být uveden do kontaktu s přístrojovou-zabránění možného křížové kontaminace.

Dálkové spektrální měření představovat několik problémů ve srovnání s laboratorními měřeními. Prostor mezi zkoumaném vzorku a nástroje mohou mít také spektrální absorpce. Tato absorpce může maskovat nebo plést absorpční spektrum vzorku. Tyto pozadí rušení může také měnit v průběhu času. Zdrojem záření ve vzdálené měření je často zdrojem životního prostředí, jako je například sluneční záření nebo tepelné záření z teplého objektu, a proto je třeba odlišit spektrální absorpce ze změn zdrojového spektra.

Pro zjednodušení těchto úkolů, diferenciální optické absorpční spektroskopie získala nějakou popularitu, protože se zaměřuje na diferenciální absorpčních vlastností a vynechá vstřebávání širokopásmový, jako je aerosolový vyhynutí a zánik v důsledku Rayleighův rozptyl. Tato metoda se používá pro, měření pozemních vznášejících a družicové. Některé metody pozemní poskytují možnost načíst troposférických a stratosférický stopových plynů profily.

Astronomie

Absorpční spektrum pozorované u Hubblova kosmického dalekohledu

Astronomické spektroskopie je zvláště významný typ dálkového spektrální snímání. V tomto případě, objekty a vzorky zájmu jsou tak daleko od Země, že elektromagnetické záření je k dispozici, aby je měření pouze prostředky. Astronomické spektra obsahují jak absorpce a emisní spektrální informace. Absorpční spektroskopie je zvláště důležité pro pochopení mezihvězdné mraky a stanovení skutečnosti, že některé z nich obsahují molekuly . Absorpční spektrometrie je také zaměstnán ve studiu extrasolárních planet . Detekce exoplanet strany metodou tranzitní také měří jejich absorpční spektrum a umožňuje stanovení složení atmosféry, teploty, tlaku a planety výšky měřítku , a tím také umožňuje stanovení hmotnosti planety.

Atomová a molekulová fyzika

Teoretické modely, zejména kvantově mechanické modely umožňují absorpčních spekter atomů a molekul, které mají být v souvislosti s jinými fyzikálními vlastnostmi, jako je elektronové struktury , atomové nebo molekulové hmotnosti , a molekulární geometrie . Proto měření absorpčního spektra se používají pro stanovení těchto dalších vlastností. Mikrovlnná spektroskopie , například, umožňuje stanovení délky vazeb a úhly s vysokou přesností.

Kromě toho, spektrální měření mohou být použity pro stanovení přesnosti teoretických předpovědí. Například, Lamb posun měřená ve vodíkové atomové absorpční spektrum se nepředpokládá, že by existovat v době, kdy byl měřen. Jeho objev urychlil a vedl vývoj kvantové elektrodynamiky , a měření Lamb posun se nyní používají k určení konstanta jemné struktury .

Experimentální metody

Základní přístup

Nejjednodušší přístup k absorpční spektroskopie, je pro generování záření se zdrojem, měření referenčního spektra tohoto záření s detektorem a potom znovu měřit spektra vzorku po vložení materiálu zájmu mezi zdrojem a detektorem. Dva Naměřená spektra pak mohou být kombinovány stanovit materiál je absorpční spektrum. Vzorek spektrum samo o sobě nestačí k určení absorpční spektrum, protože to bude ovlivněna experimentálních podmínkách-spektra zdroje, absorpční spektra jiných materiálů mezi zdrojem a detektorem a vlnové délce závislé charakteristiky detektoru. Referenční spektrum bude ovlivněna stejným způsobem, i když v těchto experimentálních podmínek, a proto tato kombinace poskytuje absorpční spektrum samotného materiálu.

Široká škála zdrojů záření jsou použity za účelem pokrytí elektromagnetického spektra. Pro spektroskopii, je obecně žádoucí, aby zdroj pokrýt široký pás vlnových délek k měření širokou oblast absorpčního spektra. Některé zdroje neodmyslitelně vypouštějí široké spektrum. Příklady těchto zahrnují globars nebo jiné černé těleso zdrojů v infračervené oblasti, rtuťové výbojky ve viditelné a ultrafialové a rentgenové trubice . Jedním v poslední době vyvinuty nové zdroje širokého spektra záření synchrotronové záření , které se vztahuje na všechny tyto oblasti spektra. Jiné zdroje záření generují úzké spektrum, ale emisní vlnová délka může být naladěn na pokrytí spektrální rozsah. Příklady těchto zahrnují klystrony v mikrovlnné oblasti a lasery přes infračervené, viditelné a ultrafialové oblasti (i když ne všechny lasery mají laditelných vlnových délek).

Detektor použity k měření výkonu záření bude také záviset na rozsahu vlnových délek je předmětem zájmu. Většina detektory jsou citlivé na poměrně širokém spektrálním rozsahu a senzor vybraný bude často záviset spíše na požadavky na citlivost a hluku daného měření. Příklady detektorů běžných ve spektroskopii zahrnují heterodynní přijímače v mikrovlnné, bolometr v milimetrových vln a infračervené, rtuť teluridu kademnatého a dalších chlazených polovodičových detektorů v infračervené oblasti, a fotodiody a fotonásobičů ve viditelné a ultrafialové oblasti.

Pokud jsou zdroj a detektor pokrývají širokou spektrální oblast, pak je nutné zavést prostředky pro řešení vlnové délky záření, za účelem určení spektra. Často spektrograf slouží k prostorově oddělit vlnové délky záření, tak, že výkon při každé vlnové délce může být měřena nezávisle. Je také běžné, používat interferometrie k určení spectrum- Fourierovy transformace infračervené spektroskopie je široce používán implementace této techniky.

Dvě další problémy, které je třeba zvažovat zřízení absorpční spektroskopie experiment zahrnuje optiku použity k usměrňování pohybu záření a prostředky pro držení nebo obsahující vzorek materiálu (který se nazývá kyveta nebo buňky). Pro většinu měření UV, viditelné a NIR jsou nezbytné použití přesných křemenných kyvet. V obou případech je důležité vybrat materiály, které mají relativně malou absorpci vlastní v rozsahu vlnových délek je předmětem zájmu. Absorpce jiných materiálů by mohlo rušit nebo maskovat absorpci ze vzorku. Například v několika rozsahů vlnových délek, je třeba měřit vzorku za sníženého tlaku nebo ve vzácném plynu prostředí, protože plyny v atmosféře mají interferujících absorpční vlastnosti.

specifické přístupy

viz též

Reference

externí odkazy