Спектроскопия

Введение

Спектроскопия и спектрография — это термины, используемые для обозначения измерения интенсивности излучения как функции длины волны и часто используются для описания экспериментальных спектроскопических методов. Устройства для измерения спектра называются спектрометрами , спектрофотометрами , спектрографами или спектральными анализаторами .

Ежедневные наблюдения за цветом могут быть связаны со спектроскопией. Неоновое освещение — прямое применение атомной спектроскопии . Неон и другие благородные газы имеют характерные частоты излучения (цвета). Неоновые лампы используют столкновение электронов с газом для возбуждения этих выбросов. Чернила , красители и краски содержат химические соединения, выбранные по их спектральным характеристикам для создания определенных цветов и оттенков. Широко встречаются молекулярный спектр является то , что диоксид азота. Газообразный диоксид азота имеет характерную красную абсорбционную способность, что придает воздуху, загрязненному диоксидом азота, красновато-коричневый цвет. Рэлеевское рассеяние — это спектроскопическое явление рассеяния, которое объясняет цвет неба.

Спектроскопические исследования занимали центральное место в развитии квантовой механики и включали объяснение Максом Планком излучения черного тела , объяснение фотоэлектрического эффекта Альбертом Эйнштейном и объяснение атомной структуры и спектров Нильсом Бором . Спектроскопия используется в физической и аналитической химии, потому что атомы и молекулы имеют уникальные спектры. В результате эти спектры можно использовать для обнаружения, идентификации и количественной оценки информации об атомах и молекулах. Спектроскопия также используется в астрономии идистанционное зондирование Земли. Большинство исследовательских телескопов имеют спектрографы. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физических свойств от астрономических объектов (например, их температуры и скорости ).

Введение

Спектроскопия и спектрография — это термины, используемые для обозначения измерения интенсивности излучения как функции длины волны и часто используются для описания экспериментальных спектроскопических методов. Устройства для измерения спектра упоминаются как спектрометры, спектрофотометры, спектрографы или спектральные анализаторы.

Ежедневные наблюдения цвета могут иметь отношение к спектроскопии. Неоновое освещение является прямым применением атомной спектроскопии. Неон и другие благородные газы имеют характерные частоты излучения (цвета). Неоновые лампы используют столкновение электронов с газом для возбуждения этих выбросов. Чернила, красители и краски включают химические соединения, выбранные по их спектральным характеристикам, чтобы создавать определенные цвета и оттенки. Обычно встречающийся молекулярный спектр — это спектр диоксида азота. Газообразный диоксид азота имеет характерную способность поглощения красного цвета, что придает воздуху, загрязненному диоксидом азота, красновато-коричневый цвет. Рэлеевское рассеяние — это спектроскопическое явление рассеяния, которое определяет цвет неба.

Спектроскопические исследования были центральными в развитии квантовой механики и включали объяснение излучения черного тела, Альберт Эйнштейн Максом Планком объяснил фотоэлектрический эффект и Нильс Бор объяснил атомную структуру и спектры. Спектроскопия используется в физической и аналитической химии, потому что атомы и молекулы имеют уникальные спектры. В результате эти спектры можно использовать для обнаружения, идентификации и количественной оценки информации об атомах и молекулах. Спектроскопия также используется в астрономии и дистанционном зондировании на Земле. Большинство исследовательских телескопов имеют спектрографы. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физических свойств астрономических объектов (таких как их температура и скорость ).

История

История спектроскопии началась с оптических экспериментов Исаака Ньютона (1666 г.) –1672). Ньютон применил слово «спектр» для описания радуги цветов, которые объединяются, чтобы сформировать белый свет и которые раскрываются, когда белый свет проходит через призму. В начале 1800-х годов Джозеф фон Фраунгофер добился экспериментальных успехов с дисперсионными спектрометрами, которые позволили спектроскопии стать более точным и количественным научным методом. С тех пор спектроскопия играла и продолжает играть важную роль в химии, физике и астрономии.

• «В 1672 году в первой статье, которую он представил Королевскому обществу, Исаак Ньютон описал эксперимент, в котором он позволил солнечному свету проходить через маленькое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет, который нам кажется белым, на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги. «
• » В 1802 году Уильям Хайд Волластон построил улучшенный спектрометр, включающий в себя Чтобы сфокусировать спектр Солнца на экране, Волластон понял, что цвета не распределяются равномерно, а вместо этого имеют отсутствующие участки цветов, которые проявляются в виде темных полос в спектре . Позже, в 1815 году., Немецкий физик Йозеф Фраунгофер также исследовал спектр Солнца и обнаружил около 600 таких темных линий (отсутствующие цвета), которые теперь известны как линии Фраунгофера или линии поглощения.»

Ссылки

1. http://www.oval.ru/enc/78585.html
2. http://www.oval.ru/enc/92042.html
3. http://soviet-encycl.ru/?article=0003000100

• Перспективы аналитической атомной спектрометрии

Искровая или дуговая атомно-эмиссионная спектроскопия:

«Тип атомно-эмиссионной спектрометрии, при котором образец возбуждается дугой или искрой между двумя электродами».

Искровую или дуговую атомно-эмиссионную спектроскопию можно использовать для оценки металлических компонентов в твердых образцах. Для непроводящих материалов образец представляет собой смесь с графитовым порошком, чтобы сделать его заметным. В традиционных методах дуговой спектроскопии образец звука обычно измельчается и разрушается в процессе обработки оценки. Возбужденные атомы излучают свет с характерными длинами волн, который можно диспергировать с помощью монохроматора и регистрировать.

Раньше техника дуги или искры не контролировалась должным образом; оценка этих компонентов в выборке была только качественной. Но современные искровые ресурсы с контролем разряда стали качественными. Как качественная, так и количественная искровая оценка обычно используются для управления качеством в литейных цехах и центрах литья металлов.

Примечания и ссылки

1. AC Crombie, History of Science from Saint Augustine to Galileo, Paris, PUF ,1959 г., цитируется Бернаром Майттом, La lumière, Paris, Seuil, колл.  «Очки науки»,девятнадцать восемьдесят один, 340  с. ( ISBN  2-02-006034-5 ), «Свет от античности до Возрождения», с.  35-36
2. Бернард Maitte, Ла Люмьер, Париж, Coll.  «Очки науки»,девятнадцать восемьдесят один( ISBN  2-02-006034-5 ), стр.  117
3. ↑ и Жан-Пьер Верде, Une histoire de l’astronomie, Париж, éditions du Seuil, колл.  «Очки науки»,1990 г., 384  с. ( ISBN  2-02-011557-3 ), «L’astronomie взорвалась», с.  244
4. См .: Bernard Maitte, La lumière, Paris, Éditions du Seuil, колл.  «Очки науки»,девятнадцать восемьдесят один, 340  с. ( ISBN  2-02-006034-5 ), «Концепции Декарта», стр.  69-96
5. Из (en) Джона С. Д. Брэнда, Линии света: источники дисперсионной спектроскопии, 1800-1930, Австралия / Австрия / Китай и т. Д., Gordon and Breach Publ.,1995 г., 266  с. ( ISBN  2-88449-162-7 ), стр.  58
6. Brand, op. соч. , стр.  37-42
7. Джордж Гор, Искусство научных открытий: Или, Общие условия и методы исследований в области физики и химии, Лонгманс, Грин и Ко,1878 г., стр.  179
8. Бренд, стр.  59
9. Брайан Бауэрс, сэр Чарльз Уитстон FRS: 1802-1875, IET,2001 г.( оттиск  2-й), 235  с. , стр.  207-208
10. ↑ и Бренд, стр.  60-62
11. HJ Wagner, «  Ранняя спектроскопия и бальмеровские линии водорода  », Journal of Chemical Education, вып.  82, п о  3,2005 г., стр.  380
12. Х.Л. Реткофски, «  Первооткрыватель спектрального анализа?  ”, Журнал химического образования, т.  80, п о  9,2003 г., стр.  1003
13. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, «  Chemische Analyze durch Spectralbeobachtungen  », Annalen der Physik, т.  180, п о  6,1860 г., стр.  161–189
14. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, Законы излучения и поглощения: мемуары Превоста, Стюарта, Кирхгофа, Кирхгофа и Бунзена, Нью-Йорк, Американская книжная компания,1901 г., «Химический анализ с помощью спектральных наблюдений», с.  99–125
15. Brand, op. соч. , стр.  63–64
16. ↑ и Саймон Сингх ( пер.  С англ.), Роман о Большом взрыве: важнейшее научное открытие всех времен, Париж, Жан-Клод Латт,2005 г., 505  с. ( ISBN  2-7096-2700-0 ), стр.  238–246
17. См. Жан-Пьер Верде, Une histoire de l’astronomie, Париж, éditions du Seuil, колл.  «Очки науки»,1990 г., 384  с. ( ISBN  2-02-011557-3 ), «L’astronomie взорвалась», с.  244–245
18. Сун Квок, Происхождение и эволюция планетарных туманностей, Cambridge University Press,2000 г., «Глава 1: История и обзор», с.  1–7
19. Гастон Шарло, курс общей аналитической химии — том 2: электрохимические и абсорбциометрические методы, хроматография, Éditions Masson, 1971

История

История спектроскопии началась с оптических экспериментов Исаака Ньютона (1666–1672). По словам Эндрю Фракнои и Дэвида Моррисона , «В 1672 году в первой статье, которую он представил Королевскому обществу , Исаак Ньютон описал эксперимент, в котором он позволил солнечному свету проходить через маленькое отверстие, а затем через призму. Ньютон обнаружил, что солнечный свет , который нам кажется белым, на самом деле состоит из смеси всех цветов радуги «. Ньютон применил слово «спектр» для описания радуги цветов, которые объединяются, чтобы сформировать белый свет и которые раскрываются, когда белый свет проходит через призму.

Фракной и Моррисон заявляют, что «В 1802 году Уильям Хайд Волластон построил улучшенный спектрометр, который включал в себя линзу для фокусировки солнечного спектра на экране. При использовании Волластон понял, что цвета не распределяются равномерно, а вместо этого имеют отсутствующие участки цветов, которые проявлялись в виде темных полос в спектре «. В начале 1800-х годов Йозеф фон Фраунгофердобился экспериментальных успехов с дисперсионными спектрометрами, которые позволили спектроскопии стать более точным и количественным научным методом. С тех пор спектроскопия играла и продолжает играть важную роль в химии, физике и астрономии. Пер Фракной и Моррисон: «Позже, в 1815 году, немецкий физик Йозеф Фраунгофер также исследовал солнечный спектр и обнаружил около 600 таких темных линий (отсутствующие цвета), которые теперь известны как линии Фраунгофера или линии поглощения». нужен лучший источник

Области применения диагностики

Рассматриваемая диагностика позволяет расшифровывать процессы метаболизма тканей различных органов при помощи получаемых магнитно-резонансных спектров. Обменные процессы организма, в большинстве случаев, нарушаются гораздо раньше, чем пациент начинает ощущать какие-то симптомы того или иного заболевания.

Вот почему важно своевременно применять магнитно-резонансную спектроскопию, которая поможет выявить отклонения на ранних стадиях болезни и принять соответствующие меры по предотвращению ее прогрессирования. К тому же, данная методика для отдельных анатомических областей организма человека является единственной неинвазивной диагностической процедурой, которая известна на сегодняшний день

При сочетании методики с результатами магнитно-резонансной томографии врач получает общую клиническую картину кардиологических параметров – размеров сердца, структуры миокарда и нарушений кровообращения в нем, функциональных расстройств. Также вышеназванная диагностика помогает контролировать ход лечения ишемической болезни сердца, различной гипертрофии, сердечной недостаточности.

При неврологических патологиях магнитно-резонансная спектроскопия позволяет уточнить диагноз, различая, например, рассеянный склероз и нейрооптикомиелит. При расстройствах психики важным является та особенность данной диагностики, которая помогает рассмотреть различные биохимические процессы в мозговых клетках.

Данная методика широко применима для оценки всевозможных новообразований в головном мозге. Несмотря на отсутствие гистологических данных о возникшем новообразовании, исследователи говорят об определенных соотношениях рассматриваемых в ходе диагностики показателей и возникновении пика лактата. Таким образом, большинство случаев магнитно-резонансной спектроскопии опухолевых тканей способно предоставить дифференциацию возникших новообразований по принципу злокачественности.

В клинических условиях при послеоперационных диагностиках данная методика свидетельствует об успешности проведенного хирургического вмешательства либо о продолжении роста рассматриваемой опухоли, ее рецидиве, лучевом некрозе.

Еще одним аспектом использования магнитно-резонансной спектроскопии является процесс разграничения впервые обнаруженных первичных или вторичных патологий, их дифференциация по демиелинизирующим и инфекционным процессам.

Показательными являются в данном разрезе диагностированные случаи абсцессов, опирающиеся на диффузионно-взвешенные изображения.

Так, при отсутствующих пиках основных метаболитов при абсцессе отмечается возникновение пиков липид-лактатного комплекса и специфичных абсцессу пиков – например, продуктов анаэробного бактериального гликолиза и результатов протеолиза.

В медицинских источниках часто исследуется эффективность МР-спектроскопии при метаболических нарушениях и дегенеративных поражениях белого вещества мозга у детей, эпилепсии, черепно-мозговых травмах, ишемиях головного мозга и прочих заболеваниях.

Типы спектроскопии

Методы атомной спектроскопии следующие: 

• AAS- атомно-абсорбционная спектроскопия
• AFS — атомная флуоресцентная спектроскопия
• AES- атомно-эмиссионная спектроскопия 
• XRF- рентгеновская флуоресценция 
• МС-масс-спектроскопия  

Эмиссионная спектроскопия

В большинстве этих методов (например, AAS, AFS и AES) явления взаимодействия между ультрафиолетовый свет и валентный электрон свободных атомов газа. В рентгеновской флуоресценции высокоэнергетические заряженные частицы будут сталкиваться с внутриоболочечными электронами атома, инициируя последующую эмиссию фотонов при переходах. Для неорганической масс-спектроскопии ионизированные анализируемые атомы обычно отделяются в приложенном магнитном поле в соответствии с отношением массы к заряду (m/z) и используются для дальнейшего исследования с использованием этого основного явления.

Теория

Центральная теория спектроскопии заключается в том, что свет состоит из различных длин волн и что каждая длина волны соответствует различной частоте

Важность спектроскопии заключается в том, что каждый элемент в периодической таблице имеет уникальный световой спектр, описываемый частотами света, который он излучает или поглощает, последовательно появляясь в одной и той же части электромагнитного спектра при дифракции света. Это открыло целую область для изучения всего, что содержит атомы, то есть всей материи

Спектроскопия — это ключ к пониманию атомных свойств всей материи. Спектроскопия как таковая открыла множество новых, еще не открытых областей науки. Идея о том, что каждый атомный элемент имеет свою уникальную спектральную подпись, позволила использовать спектроскопию в широком спектре областей, каждая из которых преследует конкретную цель, достигаемую с помощью различных спектроскопических процедур. Эти уникальные спектральные линии для каждого элемента настолько важны для многих отраслей науки, что правительство ведет общедоступную базу данных атомных спектров, которая постоянно пополняется более точными измерениями на сайте NIST.

Расширение области спектроскопии связано с тем, что для анализа образца может быть использована любая часть электромагнитного спектра — от инфракрасного до ультрафиолетового, что сообщает ученым различные свойства одного и того же образца. Например, в химическом анализе наиболее распространенными видами спектроскопии являются атомная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, ультрафиолетовая и видимая спектроскопия, спектроскопия Рамана и ядерный магнитный резонанс. В ядерном магнитном резонансе теория заключается в том, что частота аналогична резонансу и соответствующей ему резонансной частоте. Резонансы по частоте были впервые охарактеризованы в механических системах, таких как маятники, которые имеют частоту движения, отмеченную знаменитым Галилеем.

Индуктивно связанная плазма Атомно-эмиссионная спектроскопия:

Метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES) использует индуктивно связанную плазму, чтобы возбужденные атомы и ионы испускали электромагнитное излучение с различными характеристическими длинами волн определенного компонента. Преимущества атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой заключаются в ограничении многоэлементной способности, низком уровне химических помех и стабильном и воспроизводимом сигнале.

Минусами являются спектральные помехи (много линий излучения), цена и эксплуатационные расходы, а также тот факт, что образцы обычно нуждаются в жидком средстве.

Метод атомно-эмиссионной спектроскопии — это схема химического исследования, в которой используется интенсивность света, генерируемого пламенем горячего газа, дуги, плазмы или разряда на определенной длине волны, для определения количества вещества или компонента. В то время как уровень излучаемого света пропорционален количеству атомов этого компонента, длина волны спектральной линии в спектре излучения обеспечивает идентичность этого компонента. Несколько процедур могут вызвать возбуждение образца.

Спектральные образы

Спектральная визуализация — это отрасль спектроскопии, основанная на цифровой фотографии . Он заключается в отображении в любой точке плоского изображения анализируемого объекта полного спектра или любой другой информации частотного характера (например, собранной с помощью эффекта Доплера или эффекта Зеемана на спектральной линии ). Основные приложения — астрономия ( астрофизика и планетология ), анализ плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу и дистанционное зондирование космоса .

Спектральная визуализация делится на множество различных методов, в зависимости от анализируемой спектральной области, спектрального разрешения, количества, толщины или смежности спектральных полос и области применения: таким образом, мы говорим о мультиспектральной визуализации., полная спектральная, спектроскопическая или химическая визуализация. Эти термины, однако, редко относятся к картам с четырьмя или пятью полосами (тетрахромия, пентахромия), которые всегда работают в области видимого света .

Пламенная атомно-эмиссионная спектроскопия:

Образец вещества смешивается или вносится (с помощью небольшой петли из платины или специальной проволоки) в пламя газа или распыляемого раствора, либо непосредственно в пламя или огонь. Пламя испаряет растворитель образца за счет существующего тепла и разрывает внутримолекулярные связи с образованием свободных атомов. Эта энергия возбудит атом, особенно электроны, слишком возбужденные электронные состояния, которые излучают свет, когда возвращаются в основное электронное состояние. Каждый элемент излучает свет или фотон на заданной характеристической длине волны, который рассеивается с помощью призмы или решетки и, наконец, наблюдается в спектрометре.

 Частое использование этого измерения выбросов с помощью пламени и искры стандартизировано для щелочных металлов для получения фармацевтической аналитики.

Что такое спектр излучения или спектр излучения?

«Спектр излучения элемента или химического соединения — это диапазон частот электромагнитного излучения, испускаемого из-за прыжка атома или молекулы или перехода от состояния с более высокой энергией к состоянию с более низкой энергией».

Линия излучения или спектральная линия либо яркая, либо темная, в остальном непрерывный или однородный спектр, что приводит к испусканию или поглощению света в узком частотном диапазоне по сравнению со стандартными частотами элементарных элементов. Эти спектральные линии излучения используются для распознавания атомов и молекул путем сравнения их со стандартными частотами элементов.

Типология

Основные используемые явления:

• испускание излучения образцом после возбуждения оптическим, тепловым или электрическим источником: эмиссионная спектроскопия  ;
• поглощение излучения образцом при его освещении оптическим источником: спектроскопия поглощения  ;
• флуоресценция (поглощение, затем испускание излучения): флуоресцентная спектроскопия .

Эти явления могут включать:

• молекулярные свойства с участием электронов, участвующих в химических связях: молекулярная спектроскопия  ;
• атомные свойства, с участием электронов атомов: атомная спектроскопия .

В таблице ниже показаны различные методы спектроскопии в зависимости от диапазона длин волн.