Спектроскопија

Спектроскопија је дисциплина која се бави проучавањем међуделовања електромагнетног зрачења и материје. Основни елементи су извор зрачења, дисперзиони елемент (или монохроматор, дакле, део који разлаже зрачење на компоненте према енергији, фреквенцији или таласној дужини) и апсорбер зрачења. Ако су два од три елемента добро дефинисана онда се на основу емитованог и апсорбованог зрачења може сазнати нешто о ономе који је непознат. На пример, састав непознате легуре може да се одреди тако што се на њој високим напоном изазове варница чије се зрачење разложи призмом (или оптичком решетком) у спектар који се региструје погодним апсорбером (филм, фотоелемент...). На основу познатих особина дисперзионог елемента (призме или решетке) може да се одреди таласна дужина сваке компоненте у спектру а на основу познатих особина апсорбера њихови релативни интензитети, што је довољно да се утврди врста и концентрација метала у испитиваној легури.

Шпиритусна лампа и њен видљиви спектар: Жута линија на ~600 nm потиче од свеприсутног натријума (микрограмских трагова кухињске соли).

Теорија

Централна теорија спектроскопије је да је светлост направљена од различитих таласних дужина и да свака таласна дужина одговара различитој фреквенцији. Важност спектроскопије проистиче из чињенице да сваки различити елемент у периодичној табели има јединствени светлосни спектар описан фреквенцијама светлости које емитује или апсорбује и које се доследно појављују у истом делу електромагнетног спектра када се та светлост дефрактује. Ово је отворило читаво поље проучавања било чега што садржи атоме, што је сва материја. Спектроскопија је кључ за разумевање атомских својстава материје. Као таква спектроскопија је отворила многе нове подобласти науке које још нису биле откривене. Идеја да сваки атомски елемент има свој јединствени спектрални потпис омогућила је да се спектроскопија користи у широком броју поља од којих свако има специфичан циљ који се постиже различитим спектроскопским процедурама. Национални институт за стандарде и технологију одржава јавну базу података атомских спектра која се стално ажурира прецизним мерењима.

Проширење поља спектроскопије произилази из чињенице да се било који део електромагнетног спектра може користити за анализу узорка од инфрацрвеног до ултраљубичастог, што даје научницима податке о различитим особинама датог узорка. На пример, у хемијској анализи, најчешћи типови спектроскопије укључују атомску спектроскопију, инфрацрвену спектроскопију, ултраљубичасту и видљиву спектроскопију, Раманову спектроскопију и нуклеарну магнетну резонанцу. У нуклеарној магнетној резонанцији (НМР), теорија која стоји иза ње је да је фреквенција аналогна резонанцији и њеној одговарајућој резонантној фреквенцији. Резонанције по фреквенцији су први пут окарактерисане у механичким системима као што су клатна која имају фреквенцију кретања коју је чувено забележио Галилео.

Подела

У електромагнетном спектру који се протеже од гама зрака до радио-таласа, видљива светлост обухвата тек један мали део. Испод сваке области назначени су опсези таласних дужина: гама зраци ~ 0,01 nm, х-зраци ~ 1 nm, ултраљубичасти зраци ~ 100 nm, видљива светлост ~400-700 nm, инфрацрвени зраци ~ 1 mm-1 cm и радио-таласи 1 m - 1 km

Спектроскопија је врло развијена дисциплина и дели се на бројне поддисциплине према

• врсти зрачења (фреквенцији) (радио, микроталасна, терахерцна, инфрацрвена, видљива, ултравиолетна, рендгенска, гама)
• нивоу интеракција (нуклеарна, атомска, молекулска, агрегациона)
• проналазачу (Месбауерова, Раманова...)
• техници (Фуријеова, резонантна, ласерска, кохерентна, емисиона, апсорпциона)

Из овога се стиче утисак да је број метода много већи од стварног. Таблица у следећем одељку даје бољи увид у везе међу разним методама и њиховим особинама.

Веза међу спектроскопским методама и таласним дужинама

ЕМ зрачење	Таласна дужина	Фреквенција	Таласни број у cm−1	Енергија у kJ/mol	основне особине	Спектроскопска метода
Радио-таласи	100 - 1m	3MHz - 300MHz	10−4 - 0,01	10−6 - 10−4	Прелази нуклеарних спинова	НМР спектроскопија (такође радиоспектроскопија)
Радио-таласи	1m - 1cm	300MHz - 30GHz	0,01 - 1	10−4 - 0,01	Прелази електронских спинова	Електронска спинска резонанција (ЕСР/ЕПР)
Микроталаси	1cm - 100 µm	30GHz - 3*1012	1 - 100	0,01 -1	Прелази у ротационим стањима	Микроталасна спектроскопија
Инфрацрвено зрачење	100 µm - 1 µm	3*1012Hz - 3*1014Hz	100 - 104	1 - 100	Промена вибрационих стања	Вибрациона спектроскопија; (Инфрацрвена спектроскопија (IR) и Раманова спектроскопија)
Видљиво зрачење; UV-зрачење	1 µm - 10 nm	3*1014Hz - 3*1016Hz	104 - 106	100 - 104	Промена стања спољашњих електрона	UV/VIS-Спектроскопија (UV/Vis), Флуоресцентна спектроскопија; Ултрабрза спектроскопија; Атомска спектроскопија
Рендгенско зрачење	10 nm - 100pm	3*1016Hz - 3*1018Hz	106 - 108	104 - 106	Промена стања унутрашњих електрона	Рендгенска спектроскопија (XRS); Електронска спектроскопија; Ожеова електронска спектроскопија (AES); Месбауерова спектроскопија
Гама зрачење	100pm - 1pm	3*1018Hz - 3*1020Hz	108 - 1010	106 - 108	Промена нуклеарних стања (нуклеонски прелази) )	Гама спектроскопија

Међуделовање електромагнетног зрачења и материје

За разлику од макроскопске скале где се већина промена одвија континуално (вода тече брже или спорије, већ колико се отвори славина) на атомском нивоу појаве су дискретне, тј., елементарни догађај се или одигра у целини или уопште до њега не дође (фотнон се или апсорбује у целини или се не апсорбује уопште). Дакле, на микроскопском нивоу све се дешава у скоковима и у порцијама (квантима) што се директно испољава у спектрима. Због дискретне (квантне) природе материје и већина спектара има дискретну структуру, тј., састоји се од дискретних линија или трака.

Одатле је јасно да је и међуделовање електромагнетног зрачења и материје дискретне природе. За приближни опис појава, поред квантне природе довољно је држати се првог принципа термодинамике из којег следи да укупна енергија система пре и после елементарног догађаја мора да остане очувана. У спектроскопији је тај принцип формулисан преко Боровог услова, према којем, да би дошло до интеракције, разлика енергијских нивоа у систему мора бити једнака енергији фотона електромагнетног зрачења.

Схематски приказ апсорпције зрачења: Систем апсорбује фотон и то само ако је енергија фотона једнака енергијској разлици међу нивоима у систему.

Апсорпција зрачења

Систем апсорбује фотон и то само ако је енергија фотона једнака енергијској разлици међу нивоима у систему. После апсорпције зрачења, систем остаје у побуђеном стању. Таласастом стрелицом представљен је упадни фотон, хоризонталним линијама дискретни енергијски нивои а куглицама запоседнутост нивоа. Дакле, енергија фотона утрошена је да се систем преведе из основног у побуђено стање.

Спонтана емисија зрачења: Систем се из вишег враћа у ниже стање при чему је енергија фотона једнака енергијској разлици међу њима.

Спонтана емисија

Систем, који је првобитно био у побуђеном, спонтано се враћа у основно стање (или неко друго побуђено стање ниже енергије) уз емисију фотона. Као и код апсорпције, и овде мора да буде испуњен Боров услов те енергија емитованог фотона одговара енергијској разлици нивоа међу којима долази до прелаза. Вероватноћа за спонтану емисију расте приближно са трећим степеном енергијске разлике међу нивоима (два пута већа разлика има осам пута већу вероватноћу прелаза) али може да зависи и од локалних услова због којих вероватноћа може да буде и увећана и умањена. На пример, за функционисање ласера важно је постојање стабилизованих побуђених стања, тј., таквих стања где је вероватноћа за спонтану емисију много мања од очекиване.

Стимулисана емисија зрачења: Упадни фотон који има исту енергију као и спонтано емитовани фотон стимулише побуђени систем да емитује нови исти такав фотон при чему упадни фотон пролази кроз систем неизмењен.

Стимулисана емисија

Сваки систем у побуђеном стању, раније или касније се враћа у основно. Вероватноћа за емисију фотона знатно расте ако се систем који је већ у побуђеном стању обасја фотонима чија енергија одговара разлици међу нивоима. Дакле, спољашњи фотон стимулише емисију фотона и то таквог који је у сваком погледу идентичан упадном фотону. Емитовани фотон има исту енергију, правац кретања, поларизацију и фазу. Каже се да је емитовани фотон кохерентан са фотоном који је стимулисао његову емисију.

Рејлијево расејање: Упадни фотон мења правац кретања али не и таласну дужину (енергију). Након расејања систем остаје непромењен.

Рејлијево расејање

У Рејлијевом расејању упадни фотон мења смер кретања али не мења енергију. Дакле, његова таласна дужина се не мења а не мења се ни енергијско стање система што је основна одлика еластичног расејања. Ово расејање обрнуто је пропорционално четвртом степену таласне дужине фотона. Дакле фотони мањих таласних дужина расејавају се више него фотони већих. Зато је небо по ведром дану плаво а у сутон и свитање црвенкасто.

Раманово расејање зрачења. Упадни фотон приликом расејања размењује енергију са неким од унутрашњих облика кретања у молекулу (ротације, вибрације) па се расејава са мало већом или мањом енергијом од првобитне. Иако је њихов број врло мали, они се лако детектују јер скрећу са првобитне путање упадних фотона.

Раманово расејање

Раманово расејање је пример нееластичног расејања где се мења и енергија расејаног фотона и енергија система. Највећи број фотона се расејава еластично али у системима који имају и додатно унутрашње кретање (вибрације или ротације молекула) понеки фотон може да прими енергију молекулског кретања и да се расеје са малом већом енергијом (антистоксово расејање), или да преда енергију унутрашњем кретању па да се расеје са нешто нижом енергијом (Стоксово расејање). Пошто су ротациони и вибрациони нивои квантирани, квантирана је и енергија размене при расејању па Раманове спектралне линије имају добро дефинисане таласне дужине које зависе од природе молекулског система са којег долази до расејавања.

Фото-јонизација: енергија упадног фотона троши се на рад потребан за избацивање везаног електрона. Кинетичка енергија везаног електрона једнака је разлици енергије фотона и излазног рада електрона.

Фото-јонизација (фотоелектрични ефекат)

Ако је енергија упадног фотона већа од енергије везе електрона у атому, молекулу или кристалу онда енергија фотона може да доведе до јонизације мете.

Ожеов ефекат. Фотон огромне енергије побуђује електрон из унутрашње љуске. У рекомбинацији електронских нивоа део енергије, уместо емисијом фотона, преноси се у околину емисијом секундарних Ожеових електрона.

Ожеов ефекат

Фотон огромне енергије (обично из опсега х-зрака) може да побуди електроне из унутрашњости електронског омотача и да остави упражњено место врло ниске енергије. То упражњено место може да попуни електрон из вишег енергијског стања при чему вишак енергије треба да преда околини. Најчешће се то дешава емисијом другог фотона али понекад уместо фотона из атома излеће неки други електрон. Тај ожеов електрон има врло одређену кинетичку енергију једнаку разлици ослобођене енергије у првобитном процесу рекомбинације електронских нивоа и сопствене везивне енергије избаченог електрона. Ожеов ефекат се разликује од фото јонизације у томе што емитовани електрон има тачно одређену кинетичку енергију која зависи од атома из којег електрон излеће.

Комптонов ефекат: Упадни фотон велике енергије избија електрон из мете при чему се његова енергија умањује (таласна дужина расте) за износ кинетичке енергије избаченог електрона. Везивна енергија електрона може се занемарити јер је мала у односу на енергију фотона. Расејани фотон мења правац према правилима судара.

Комптонов ефекат

Главни чланак: Комптонов ефекат

Коптонов ефекат је нееластичан судар високоенергијског фотона (обично из домена х-зрака) и атома. Може се квантитативни описати као еластични судар фотона и слабо везаног електрона. Расејани фотон предаје само део енергије избаченом електрону. Комптонов ефекат је био дуго коришћен као доказ слабости квантне теорије јер је размена енергије фотона и електрона континуална, тј., не одвија се у квантима (порцијама). Међутим, противуречности нема ако се има у виду да се у процесу емитује слободан електрон, и да расејани фотон није онај исти као упадни, тј., упадни фотон је апсорбован а одмах затим емитован нови фотон и слободни електрон. Збир енергија (и импулса) расејаних честица једнак је енергији (импулсу) упадног фотона.

Стварање парова честица-античестица: Фотон огромне енергије из домена гама зрачења, у интеракцији са метом ствара пар честица - античестица. Енергија и импулс пара једнаки су енергији и импулсу упадног фотона. Врста пара зависи од енергије фотона. За настанак пара електрон-позитрон потребан је фотон енергије од бар 1,022 MeV.

Стварање парова

Фотони огромних енергија из домена гама зрака у међуделовању са материјом могу да доведу до стварања пара честица - античестица. Енергија фотона се троши на настанак масе материјалних честица и на њихову кинетичку енергију. Процес је супротан анихилацији пара честица - античестица.

Види још

• Спектар (физичка хемија)

Литература

• Crouch, Stanley; Skoog, Douglas A. (2007). Principles of instrumental analysis. Australia: Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-495-01201-6. 
• John M. Chalmers; Peter Griffiths, ур. (2006). Handbook of Vibrational Spectroscopy. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-98847-2. doi:10.1002/0470027320. 
• Jerry Workman; Art Springsteen, ур. (1998). Applied Spectroscopy. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-08-052749-9. 
• Skrabal, Peter M. (2012). Spectroscopy - An interdisciplinary integral description of spectroscopy from UV to NMR (e-book). ETH Zurich: vdf Hochschulverlag AG. ISBN 978-3-7281-3385-4. doi:10.3218/3385-4. 

Спољашње везе

• Spectroscopy links на сајту Curlie (језик: енглески)
• Amateur spectroscopy links на сајту Curlie (језик: енглески)
• NIST Atomic Spectroscopy Databases
• MIT Spectroscopy Lab's History of Spectroscopy
• Timeline of Spectroscopy