Spektroskopie
Spektroskopie se týká skupiny fyzikálních metod zahrnujících záření podle určité vlastnosti, jako je vlnová délka, energie, hmotnost atd. Rozebrat . Rozložení intenzity, které nastane, se nazývá spektrum .
Spektrometrie je kvantitativní měření spekter pomocí spektrometru . Metoda záznamu se nazývá spektrografie a samotný záznam (grafické znázornění) se nazývá spektrogram , ale často se v technickém žargonu označuje jednoduše jako „spektrum“. Spektroskopy slouží k vizuálnímu pozorování optických spekter , jako tomu bylo poprvé u Isaaca Newtona , když v 17. století objevil složení bílého světla ze spektrálních barev .
Zkoumaná záření pokrývají celý rozsah elektromagnetických vln a mechanických vln, jako jsou zvukové a vodní vlny , a také paprsky částic z. B. z elektronů , iontů , atomů nebo molekul . Spektroskopie slouží ke studiu vlastností samotného záření, ke zjištění vlastností zdroje záření (emisní spektroskopie) nebo ke zkoumání vlastností transportního média umístěného mezi zdrojem a spektrometrem (absorpční spektroskopie). Spektrometrie může být použita zejména ke stanovení typu a koncentrace emitujících nebo absorbujících látek.
Pokud spektrum vykazuje ostrá a oddělená maxima intenzity, je obecně označováno jako liniové spektrum , jinak jako spojité spektrum. Spektra z těchto dvou základních typů jsou často smíšená. Spektrum pojmenovaných čar je vysvětleno skutečností, že první optický spektrální aparát přijímal světlo z osvětlené úzké štěrbiny, která byla mapována na konkrétní místo na obrazovce v závislosti na vlnové délce, takže pro každou maximální intenzitu byla vytvořena jasná čára (viz obrázek).
Například spektrum energie nebo vlnové délky tepelného záření je spojitého typu se širokým maximem, z jehož polohy lze také odečítat teplotu vyzařujícího tělesa. Na druhé straně světlo vyzařované nebo absorbované atomy ukazuje liniové spektrum, na kterém lze jasně identifikovat chemické prvky, ke kterým atomy patří ( spektrální analýza podle Kirchhoffa a Bunsena , 1859). Hmotnostní spektrum látky při zkoumání pomocí hmotnostního spektrometru je také čárovým spektrem, které ukazuje hmotnosti molekul přítomných v látce nebo případně jejich fragmentů. Oba typy liniových spekter vykazují vysokou citlivost, a proto se běžně používají v chemických analýzách k detekci příměsí cizích látek v nejnižší koncentraci.
Spektrografie se používá v různých formách, například v medicíně , ve forenzní chemii , forenzní toxikologii a forenzní biologii . Spektroskopická pozorování liniových spekter atomů a molekul dala rozhodující impulsy pro rozvoj atomové fyziky a kvantové mechaniky . Vysoká přesnost, s jakou lze měřit mnoho jejich spektrálních čar , mimo jiné umožňuje. přesné zkoumání přírodních zákonů , stanovení přirozených konstant a definice základních jednotek metr a sekunda .
Spektroskopie elektromagnetického záření
Fyzikální základy
Spektrum ve smyslu tohoto článku je distribuce a spektrální hustoty výkonu přes energetické stupnici ( frekvence , počet vlnou ) nebo reciproční energie měřítku. Vztah mezi frekvencí elektromagnetické vlny a energií světelných kvant je dán vztahem
Základem pro pochopení spekter je přechod systému mezi různými energetickými hladinami s emisí nebo absorpcí fotonů nebo jiných částic. To lze použít k popisu absorpce a emise fotonů prostřednictvím přechodů mezi různými energetickými hladinami atomu. Absorbovaná nebo emitovaná energie je určena počáteční úrovní energie a konečnou úrovní energie . V kvantové mechanice má každý stav energetickou úroveň.
Platí následující:
Pokud je rozdíl kladný, pak je v tomto případě emise, pokud je znaménko záporné, je to absorpce.
Struktury ve spektru udávají, jaká množství energie může látka absorbovat (absorbovat) nebo uvolňovat (emitovat). Tato množství odpovídají energetickým rozdílům v kvantově mechanických stavech vzorku. Spektrum látky závisí zejména na jejích koncentracích, na pravidlech výběru a číslech povolání .
Klasická spektroskopie
Zkoumání emise a absorpce světla molekulami a atomy pomocí mřížkových a hranolových spektrometrů je nejstarší spektroskopickou metodou. Proto se také označují jako klasická spektroskopie. Mnoho zásadních zkoumání struktury atomu bylo možné pouze díky vývoji a aplikaci mřížkových a hranolových spektrometrů s vysokým rozlišením.
Typy spektroskopie
Klasifikace četných spektroskopických metod a postupů je různorodá a v literatuře není vždy jednotná. Obecně se nejprve rozlišuje mezi metodami atomové a molekulární spektroskopie . Atomová spektroskopie zahrnuje spektroskopické metody, které se vracejí k emisním, absorpčním nebo fluorescenčním procesům v atomech a používají se ke stanovení chemických prvků . Pozorovaná spektra jsou obecně liniová spektra . Molekulárně spektroskopické metody jsou na druhé straně založeny na excitaci a vyhodnocení rotačních, vibračních a elektronických stavů v molekulách. Vzhledem k překrývání jednotlivých stavů nejsou pozorována žádná liniová spektra, ale takzvaná pásmová spektra .
Kromě této základní klasifikace, v závislosti na typu stavů zkoumaných, existují i četné další pododdělení, například v závislosti na excitační energie elektrického záření (např. Mikrovlnné spektroskopie , rentgenová spektroskopie ), fyzikální stav (např. Na pevné stavová spektroskopie ) nebo typ excitace (např. elektronová spektroskopie , laserová spektroskopie ).
EM záření | vlnová délka | Frekvenční rozsah | Wavenumber | Energetický rozsah | zkoumaný majetek | Spektroskopická metoda |
---|---|---|---|---|---|---|
Rádiové vlny | 100 m ... 1 m | 3 · 10 6 … 300 · 10 6 Hz | 10 −4 ... 0,01 cm −1 | 10 −6 ... 10 −4 kJ / mol | Změna stavu jaderného odstřeďování | Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR, také vysokofrekvenční spektroskopie ) |
Mikrovlny | 1 m ... 1 cm | 300 · 10 6 … 30 · 10 9 Hz | 0,01 ... 1 cm −1 | 10 −4 ... 0,01 kJ / mol | Změna stavu spinování elektronů nebo hyperjemného stavu | Elektronová spinová rezonance (ESR / EPR), Ramseyova spektroskopie ( atomové hodiny ) |
Mikrovlny | 10 cm ... 1 mm | 30 · 10 8 … 3 · 10 11 Hz | 0,1… 10 cm -1 | 0,001 ... 0,1 kJ / mol | Změna stavu otáčení | Mikrovlnná spektroskopie |
Terahertzovo záření | 1 mm… 100 µm | 0,3 · 10 12 … 30 · 10 12 Hz | 10 ... 100 cm -1 | 0,1 ... 1 kJ / mol | Změna stavu vibrací | Terahertzova spektroskopie |
Infračervené záření | 1 mm ... 780 nm | 3 · 10 11 … 3,8 · 10 14 Hz | 10… 1,28 · 10 4 cm −1 | 0,12… 153 kJ / mol | Změna stavu vibrací | Vibrační spektroskopie ; ( Infračervená spektroskopie (IR), reflexní spektroskopie a Ramanova spektroskopie , ultra krátká časová spektroskopie ) |
viditelné světlo ; UV záření | 780 nm ... 10 nm | 3 · 10 14 … 3 · 10 16 Hz | 10 4 … 10 6 cm −1 | 100… 10 4 kJ / mol | Změna stavu vnějších elektronů | Spektroskopie UV / VIS (UV / Vis), reflexní spektroskopie , fotovodivá spektroskopie , fluorescenční spektroskopie ; Ultrarychlá spektroskopie ; Atomová spektroskopie ; Srovnání s frekvenčním hřebenem |
Rentgenové paprsky | 10 nm ... 100 hodin | 3 · 10 16 … 3 · 10 18 Hz | 10 6 … 10 8 cm −1 | 10 4 … 10 6 kJ / mol | Změna stavu kmenových elektronů | Rentgenová spektroskopie (XRS); Elektronová spektroskopie ; Augerova elektronová spektroskopie (AES); |
Gama záření | 100 hodin… 13 hodin | 3 · 10 18 … 3 · 10 20 Hz | 10 8 … 10 10 cm −1 | 10 6 … 10 8 kJ / mol | Změna jaderného stavu (uspořádání nukleonů) | Gama spektroskopie ; Mössbauerova spektroskopie |
Seznam typů a metod spektroskopie v analytice
-
Atomová spektroskopie - Měření vlastností jednotlivých atomů, zejména jejich hladin energie elektronů
- Atomová absorpční spektroskopie (AAS / OAS)
-
Atomová emisní spektrometrie (AES / OES)
- Indukčně vázaná plazma (ICP-OES)
- Mikrovlnná plazmová pochodeň AES (MPT-AES)
- Atomová fluorescenční spektroskopie (AFS)
- Gama spektroskopie
- Narušená korelace úhlu gama-gama (PAC spektroskopie)
- Mössbauerova spektroskopie (na základě Mössbauerova jevu )
-
Elektronová spektroskopie
- Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS)
- Fotoelektronová spektroskopie s UV světlem (UPS)
- Fotoelektronová spektroskopie s rozlišením úhlu (ARPES)
- Augerova elektronová spektroskopie (AES)
- Spektroskopie ztráty elektronové energie (EELS)
- Rentgenová spektroskopie (XRS)
- Glow Discharge spektroskopií (GDOES)
-
Molekulární spektroskopie - měření vlastností jednotlivých molekul, zejména hladin valenční elektronové energie a molekulárních vibrací a rotací
- Spektroskopie frekvenční modulace
- Fluorescenční spektroskopie
- Vibrační spektroskopie
- Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR, také vysokofrekvenční spektroskopie )
- CIDNP spektroskopie (také NMR-CIDNP spektroskopie)
- Elektronová rezonance (ESR / EPR)
- Mikrovlnná spektroskopie
- Spektroskopie UV / VIS (UV / Vis)
-
Solid state spectroscopy - měření vlastností celých pevných látek (jako krystalů), zejména detailů jejich struktury pásů
- Absorpční nebo
- Reflexní spektroskopie
- Fotovodivá spektroskopie , viz Fotoelektrický efekt # Interní fotoelektrický efekt
- Impedanční spektroskopie (dielektrická spektroskopie)
-
Laserová spektroskopie
- Dutinová prstencová spektroskopie (CRDS, také CRLAS)
- Laserem indukovaná fluorescence (LIF)
- Ultrarychlá spektroskopie - Měření podrobností rychlých procesů, zejména chemických reakcí
Spektroskopie v astronomii
Absorpční linie ve slunečním spektru byly pojmenovány po Josefu Fraunhoferovi , který je objevil v roce 1813. Ale až v roce 1859 byli Gustav Kirchhoff a Robert Bunsen schopni vysvětlit povahu těchto čar jako otisky prstů prvků ve sluneční atmosféře. V následujícím dalším vývoji spektrální analýzy se mimo jiné podařilo. William Huggins (USA) a Angelo Secchi (Vatikánská observatoř) systematické zkoumání hvězdných spekter a teplotně závislé klasifikace hvězd.
Spektrální analýza světla ze slunce a dalších hvězd ukázala, že nebeská tělesa se skládají ze stejných prvků jako Země. Nicméně, hélium byl poprvé identifikován spektroskopie slunečního světla. Po celá desetiletí nemohla být jedna ze slunečních spektrálních čar přiřazena žádné známé látce, takže dokud se neprokázalo, že byla nalezena na Zemi, předpokládalo se, že na slunci existuje neznámý prvek (řecky Helios ).
Dalšími klasickými úspěchy astronomické spektrální analýzy jsou
- důkaz Dopplerova efektu na hvězdy (viz také radiální rychlost )
- a (kolem roku 1920) na galaxiích (viz rudý posuv ),
- přesná fotografická analýza hvězdy Tau Scorpii od Albrechta Unsölda v roce 1939
- magnetických polí na slunci a jasných hvězdách ( Zeemanův efekt )
- a především stanovení teplot hvězd a spektrálních tříd (viz také Hertzsprung-Russellův diagram a vývoj hvězd ).
Přidružené měřicí přístroje („spektrální přístroje “) používané v astro spektroskopii jsou:
- spektroskop a spektrometr (oba vizuální)
- spektrograf (fotografické nebo senzory)
- monochromator a interference spektrometr
- frekvence hřeben
Viz také
literatura
Obecné učebnice
- Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Učebnice experimentální fyziky: Svazek 1 až 8 . De Gruyter.
- Peter M. Skrabal: Spektroskopie, reprezentace křížovou metodou z UV do rozsahu NMR . vdf Hochschulverlag AG, Curych 2009, ISBN 978-3-8252-8355-1 .
- Fyzikální chemie # literatura
Speciální práce
Němec
- Wolfgang Demtröder : Molekulární fyzika: teoretické základy a experimentální metody . 1. vydání. Oldenbourg, 2003, ISBN 3-486-24974-6 .
- Wolfgang Demtröder: Laserová spektroskopie: základy a techniky . 5. vydání. Springer, Berlín 2007, ISBN 978-3-540-33792-8 .
- Hermannův hák , Hans Christoph Wolf : atomová a kvantová fyzika. 8. vydání. Springer, Berlín 2003, ISBN 3-540-02621-5 .
- Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: Molekulární fyzika a kvantová chemie. 5. vydání. Springer, Berlín 2006, ISBN 3-540-30314-6 .
Angličtina
- Thomas Eversberg, Klaus Vollmann: Spektroskopická přístrojová technika - základy a pokyny pro astronomy. Springer, Heidelberg 2014, ISBN 3-662-44534-4
- Peter W. Atkins , Ronald Friedman: Molekulární kvantová mechanika. 4. vydání. Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-927498-3 .
- Peter F. Bernath: Spektra atomů a molekul. 2. vydání. Oxford University Press, Oxford 2005, ISBN 0-19-517759-2 .
- Wolfgang Demtröder: Atomy, molekuly a fotony. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20631-0 .
- Jack D. Graybeal: Molekulární spektroskopie. McGraw-Hill Education, New York NY et al. 1988, ISBN 0-07-024391-3 .
- J. Michael Hollas: Moderní spektroskopie. 4. vydání. John Wiley & Sons, Chichester 2003, ISBN 0-470-84416-7 .
- E. Bright Wilson Jr. , JC Decius, Paul C. Cross: Molekulární vibrace - teorie infračerveného a Ramanova vibračního spektra. Dover Publications, New York NY 1980, ISBN 0-486-63941-X .
- Gordon G. Hammes: Spektroskopie pro biologické vědy. Wiley-Interscience, Hoboken NJ 2005, ISBN 0-471-71344-9 .
webové odkazy
- Základní výzkum v oblasti spektroskopie
- Speciální výstava Deutsches Museum: Tajný kód hvězd , do 8. dubna 2018
Individuální důkazy
- ↑ Duden: Spektrografie .
- ↑ Jürgen Thorwald : Hodina detektivů. Počátky a světy kriminalistiky. Droemer Knaur, Curych a Mnichov 1966, s. 356-370.
- ↑ Hřeben frekvence při astronomických pozorováních .