Spektroskopija: kaip šviesa atskleidžia chemines medžiagas ir temperatūrą
Spektroskopija: kaip šviesa atskleidžia chemines medžiagas ir nustato temperatūrą — sužinokite, kaip spektrai identifikuoja medžiagas nuo molekulių iki dalelių.
Spektroskopija – tai šviesos, kuri buvo išspinduliuota, atspindėta arba per kietą kūną, skystį ar dujas peršviesta, tyrimas pagal bangos ilgį. Šviesa išskaidoma pagal bangos ilgius, o gautas spektras atskleidžia medžiagų savybes: kiekviena cheminė medžiaga turi savitą spektrinių linijų rinkinį arba skirtingą švytėjimo (kontinuumo) formą. Spektroskopija matuoja skirtingų bangų ilgių intensyvumą ir taip gali identifikuoti mišinyje esančias chemines medžiagas bei nustatyti papildomas savybes, pavyzdžiui, objekto temperatūrą ar judėjimo greitį.
Kaip spektroskopija identifikuoja chemines medžiagas
Kai atomai ar molekulės gauna energijos (pvz., kaitinant), jų elektronai persikelia į aukštesnius energijos lygius. Grįžtant atgal išspinduliuojamos tam tikro bangos ilgio fotonų pakopos – tai sukuria aiškias emisijos linijas. Atvirkščiai, kai baltos šviesos šaltinis praeina pro dujas ar skystį, tam tikri bangos ilgiai yra absorbuojami ir palieka spektrą kaip tamsias absorbcines linijas. Atominės linijos dažniausiai būna smulkios ir gerai atpažįstamos, o molekulės turi papildomų vibracijos ir rotacijos perėjimų, kurie dažniausiai stebimi infraraudonųjų ir mikrobangų srityse.
Spektrų tipai ir ką jie sako
- Kontinuumas – tolygi spinduliuotė, kurią skleidžia karšti kūnai (juodieji kūnai); pagal jos formą ir intensyvumo pasiskirstymą galima nustatyti temperatūrą (pvz., pagal Wieno dėsnį ar Plancko skirstinį).
- Emisijos linijos – ryškios linijos spektrume, kurios nurodo, kokie atomai ar jonai skleidžia šviesą.
- Absorbcinės linijos – tamsūs „įpjovimai“ ant fono, rodo medžiagas, kurios sugeria tam tikrus bangos ilgius.
Prietaisai ir matavimai
Spektroskopiniams tyrimams naudojami įvairūs prietaisai: spektrometrai su prizmėmis arba difrakciniais tinkleliais, fotometriniai detektoriai, fotonų skaitikliai ir šiuolaikiniai CCD jutikliai. Spektro matavimai vyksta dažniausiai pagal bangos ilgį (nm, Å) arba dažnį (Hz) ir gali būti charakterizuojami spektro rezoliucija – kuo didesnė, tuo smulkesnes linijas galima atskirti.
Ką dar galima sužinoti iš spektro
Be cheminės sudėties ir temperatūros, spektroskopija leidžia nustatyti:
- Greitį – Doplerio poslinkis spektrinėse linijose rodo objekto judėjimą link stebėtojo arba nuo jo.
- Tankį ir slėgį – tam tikrų linijų santykiai ir linijų pločiai gali atskleisti terpės sąlygas.
- Magnetinius laukus – Zeemano efektas skaldant spektrines linijas rodo laukų stiprumą.
- Cheminę aplinką – molekuliniai junginiai ir jų izotopai turi skirtingas spektrines charakteristikas.
Linių pločius ir jų priežastys
Spektrinės linijos gali būti siauros arba plačios. Linijų platumą lemia keli veiksniai: natūralus linijos pločias (dėl kvantinių procesų), termoemisinė plėtra (karštos dalelės juda skirtingais greičiais), slėgio plėtra (susidūrimai tarp dalelių) ir instrumentinė plėtra (ribojama spektrometro rezoliucijos). Analizuojant šiuos efektus galima gauti informaciją apie medžiagos temperatūrą ir aplinkos sąlygas.
Taikymo sritys
Spektroskopija turi labai platų pritaikymą:
- astronomijoje – žvaigždžių, planetų ir galaktikų cheminė sudėtis, temperatūra ir judėjimo greitis;
- analitinėje chemijoje – medžiagų identifikavimas ir koncentracijų matavimas;
- medicinoje – diagnostika (pvz., kraujo analizės) ir spektroskopiniai vaizdai;
- aplinkos monitoringo – atmosferos teršalų stebėjimas;
- pramonėje – medžiagų sudėties kontrolė ir procesų valdymas;
- forenzikoje – pėdsakų analizė ir mėginių identifikavimas.
Maži dalykai, kurių nematome optiniu mikroskopu
Spektroskopija leidžia mokslininkams tirti ir nagrinėti dalykus, kurie yra per maži, kad būtų matomi per mikroskopą, pavyzdžiui, molekules ir dar mažesnes subatomines daleles, tokias kaip protonai, neutronai ir elektronai. Šioms šviesos bangoms matuoti ir analizuoti yra specialūs prietaisai.
Apibendrinant: spektroskopija yra galingas įrankis, kuris paverčia šviesą į informaciją apie medžiagų sudėtį, fizines sąlygas ir judėjimą. Tinkamai interpretuojant spektrus galima daug sužinoti apie tai, ką sudaro ir kaip elgiasi tiek laboratorijoje, tiek tolimiausiose Visatos vietose.
Alkoholio liepsna ir jos spektras
Metodai
Infraraudonųjų spindulių spektroskopija matuoja šviesą infraraudonųjų spindulių elektromagnetiniame spektre. IR spektroskopijos svarbiausia savybė yra ta, kad ji labai naudinga nustatant organinių molekulių funkcines grupes. Organinėms molekulėms sugeriant infraraudonąją šviesą, vyksta molekuliniai virpesiai. Vibracijų dažniai būdingi tik atskiroms funkcinėms grupėms. Infraraudonosios spinduliuotės spektras grafiškai pateikiamas kaip pralaidumo (%) ir bangų skaičiaus (cm-1) priklausomybė
Rentgeno spindulių kristalografija galima ištirti kristalinės molekulės struktūrą. Kiekvieno atomo elektronų debesis išsklaido rentgeno spindulius ir taip atskleidžia atomų padėtį. Šiuo metodu galima kristalizuoti ir naudoti įvairias neorganines ir organines molekules, įskaitant DNR, baltymus, druskas ir metalus. Analizei naudojamas mėginys nesunaikinamas.
Ultravioletinės ir regimosios spektroskopijos metu, naudojant regimąją ir ultravioletinę šviesą, nustatoma, kiek cheminės medžiagos yra skystyje. UV-Vis spektroskopija veikia pagal tirpalo spalvą. Tirpalo, su kuriuo dirbame, spalva yra spalvota dėl jo cheminės sudėties. Taigi tirpalas sugeria vienų spalvų šviesą ir atspindi kitų spalvų šviesą, o atspindėta šviesa yra tirpalo spalva. UV-Vis spektroskopija veikia praleidžiant šviesą pro tirpalo mėginį ir nustatant, kiek šviesos tirpalas sugeria.
Branduoliniu magnetiniu rezonansu galima tirti branduolius. Jis naudoja tam tikrų branduolių magnetines savybes, dažniausiai 13C ir1 H. NMR prietaisas sukuria didelį magnetinį lauką, todėl branduoliai veikia kaip maži strypiniai magnetai. Nukleusai gali būti nukreipti į prietaiso magnetinį lauką arba prieš jį. Šiuo metu turime dvi galimas orientacijas, kuriomis branduoliai gali būti α arba β. Toliau branduoliai veikiami radijo bangomis, dėl kurių α pereina į β orientaciją. Kai įvyksta šis pokytis, išsiskiria energija, kuri aptinkama. Kompiuterinė sistema duomenis interpretuoja grafiškai (intensyvumo ir cheminio poslinkio ppm santykis). NMR nesunaikina analizei naudojamo mėginio. Toliau pateikta 900 MHz NMR sistema.
Susiję puslapiai
- Absorbcijos spektroskopija
- Astronominė spektroskopija
- Laiko srities spektroskopija
- Augerio elektronų spektroskopija
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra spektroskopija?
A: Spektroskopija - tai šviesos, kuri buvo išspinduliuota, atspindėta ar apšviesta per kietą kūną, skystį ar dujas, tyrimas kaip bangos ilgio funkcija.
K: Kodėl chemikai, atlikdami spektroskopiją, kaitina cheminę medžiagą?
A: Kiekviena cheminė medžiaga kaitinama švyti skirtingai, o spektroskopija analizuoja cheminės medžiagos švytėjimą, kad nustatytų jos bangų ilgio spalvų spektrą, kuris skiriasi nuo kitų.
K: Kaip spektroskopija atskiria skirtingas chemines medžiagas?
A: Spektroskopija atskiria ir išmatuoja skirtingų bangos ilgių cheminių medžiagų švytėjimo ryškumą.
K: Ką galima nustatyti spektroskopija, be cheminių medžiagų atpažinimo?
A: Spektroskopija galima nustatyti, kiek karštas yra analizuojamas daiktas.
K: Kokia yra spektroskopijos nauda?
A: Spektroskopija leidžia mokslininkams tirti ir nagrinėti dalykus, kurie yra per maži, kad būtų matomi per mikroskopą, pavyzdžiui, molekules ir subatomines daleles.
K: Ko reikia norint išmatuoti ir išanalizuoti šviesos bangas spektroskopijoje?
A: Šviesos bangoms matuoti ir analizuoti spektroskopijoje reikalingi specialūs prietaisai.
K: Kokie yra subatominių dalelių, kurias galima tirti spektroskopijos būdu, pavyzdžiai?
A: Spektroskopijos būdu galima tirti subatomines daleles, pavyzdžiui, protonus, neutronus ir elektronus.
Ieškoti