Spectroscopie

Schema unei analize spectroscopice

Spectroscopia , în fizică , indică măsurarea și studiul unui spectru electromagnetic . Un instrument care vă permite să măsurați un spectru se numește spectrometru , spectrograf sau spectrofotometru ; ultimul termen se referă la un instrument de măsurare a spectrului electromagnetic .

fundal

Odată cu descoperirea naturii de undă a luminii , termenul de spectru a fost menționat la intensitatea luminii în funcție de lungimea de undă sau de frecvență . Mai simplu, spectroscopia este știința măsurării intensității luminii la diferite lungimi de undă. Reprezentările grafice ale acestor măsurători se numesc spectre. În prezent, termenul de spectru a fost generalizat în continuare și se referă la un flux sau intensitate de radiație electromagnetică sau particule ( atomi , molecule sau altele) în funcție de energia , lungimea de undă , frecvența sau masa lor .

Descriere

Se știe că lumina emisă de o sursă se propagă în spațiu în toate direcțiile. Dacă întâlnește un corp „opac” (în care radiația nu se poate propaga), se generează un con de umbră. Dacă suprafața este netedă, razele pot fi reflectate , dacă nu sunt netede, ele pot fi difuzate . Dacă, pe de altă parte, pătrund într-un corp transparent, dar sunt deviate, atunci există fenomenul de refracție , care determină descompunerea luminii policromatice în radiații de diferite culori ( lungimi de undă ) care pot fi colectate pe un ecran dând naștere la spectrul. Experimentul de divizare a luminii în culorile sale componente a fost realizat de Newton în 1666 , punând bazele spectroscopiei.

Există 3 tipuri de spectre:

Emisie continuă : studiind radiația obținută prin încălzirea unui corp negru vom obține un spectru continuu care conține toate undele electromagnetice existente, deoarece în el nu există întreruperi între o radiație și alta.
Emisie cu dungi sau benzi : obținută folosind ca sursă un gaz rarefiat ( densitate și presiune scăzută ) la temperatură ridicată. Spectrul rezultat nu este continuu, ci în linii sau benzi (caracteristicile speciilor poliatomice). Gazele cu compoziții diferite dau seturi diferite de linii caracteristice, din acest motiv este util pentru identificarea compoziției chimice a unui gaz.
Absorbție : când lumina emisă de o sursă trece printr-un gaz de joasă presiune. Permite identificarea naturii chimice a unei substanțe în stare gazoasă.

Prin urmare, analiza spectrală nu este utilă doar pentru analiza stelelor, ci și pentru studierea oricărui alt corp care absoarbe și reflectă radiația electromagnetică .

Teoria absorbției

Pentru a efectua o analiză spectrofotometrică, măsura absorbției unei radiații luminoase este măsurată cu o probă plasată în fața unei surse de radiații. Pentru a interpreta fenomenele care apar este necesar să se cunoască caracteristicile surselor de lumină și structura materiei. Absorbția radiațiilor determină o creștere a energiei interne a substanței pe care o absoarbe. Aceasta implică o excitație a particulelor componente (electroni, atomi, molecule etc.), care produce fenomene caracteristice pentru fiecare substanță. Conform mecanicii cuantice, energia particulelor constitutive ale materiei este cuantificată, adică poate presupune doar anumite valori discrete.

În condiții normale, o particulă se află în starea de energie minimă. Când o radiație lovește o particulă, dacă energia fotonilor este egală cu diferența dintre energia stării excitate a particulei și cea a stării de bază, radiația este absorbită și particula trece de la sol la starea excitată .

Deoarece fiecare sistem molecular este asociat cu o distribuție caracteristică a nivelurilor de energie (electronică, vibrațională, rotațională), absorbția unei radiații date este o proprietate caracteristică a sistemului respectiv și nu a altora. Mecanica cuantică ne permite să explicăm de ce absorbția unei radiații date este specifică pentru fiecare substanță și dă naștere unui spectru de absorbție caracteristic. Mai mult, prin dezvoltarea regulilor de selecție , permite stabilirea tranzițiilor interzise și a celor permise.

Radiația

Materie

Spectrele de absorbție detectează care frecvențe au fost scăzute din radiația incidentă pe măsură ce trece prin eșantion și permit măsurarea intensității cu care aceste frecvențe sunt absorbite.

Instrumente și tehnici

Tehnicile bazate pe studiul radiației absorbite care găsesc o mai mare aplicare în laboratoarele de analiză sunt împărțite în funcție de caracteristicile radiației în:

Aplicații analitice

Fiecare substanță absoarbe la lungimi de undă caracteristice. Acest lucru face posibilă identificarea unui analit pe baza spectrului său de absorbție, ca și cum ar fi amprenta sa, adică efectuarea unei analize calitative. Profilul spectrului de absorbție depinde de diverși parametri, cum ar fi starea de agregare a substanței, natura solventului, pH - ul soluției. Absorbția la o anumită lungime de undă depinde de natura și concentrația analitului.

Analiza calitativa

Analiza cantitativa

Tipuri de spectroscopie

Radiatie electromagnetica

Spectroscopie în infraroșu - Studiul spectrului radiațiilor infraroșii
Spectroscopie UV / vizibilă - Studiul spectrului radiațiilor optice și ultraviolete
Spectroscopie Raman
Spectroscopie astronomică - Studiul spectrului de radiații emise de stele și obiecte din cerul profund
Spectroscopie de câmp integrat - Tehnici spectroscopice utilizate pentru studiul obiectelor astronomice, în special în frecvența cu infraroșu
Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară - Măsurarea absorbției rezonante a radiației de frecvență radio de către nucleii atomici într-un câmp magnetic puternic
Spectroscopie Mössbauer - Măsurează absorbția nucleară rezonantă a fotonilor fără recul
Spectroscopia absorbției razelor X - Măsurați absorbția razelor X în jurul unui prag, notată prin abrevierea XAS (spectroscopia de absorbție a razelor X)
Spectrofotometrie XRF - Măsoară emisia de lumină de fluorescență a unei probe expuse razelor X.
Spectroscopie EDX - Analiză de raze X cu dispersie energetică, spectroscopie cu emisie de raze X.
PIXE - emisie de raze X indusă de particule, spectroscopie de emisie de raze X
Spectroscopie de reflexie - Măsoară reflectanța spectrală în funcție de lungimea de undă a radiației incidente, care poate fi aproape de infraroșu , vizibil sau ultraviolet
Spectroscopie optogalvanică - Măsoară schimbarea curentului și tensiunii în raport cu lungimea de undă a radiației utilizate pentru a modifica conductivitatea unui gaz printr-o descărcare autosuficientă

Particule

Spectrometrie de masă - Studiul masei atomilor, ionilor sau moleculelor măsurate prin devierea traiectoriei lor prin traversarea unui câmp magnetic

Variat

Alte subdiviziuni pot fi realizate pe baza principiului de funcționare al spectroscopiei: spectroscopie de emisie , spectroscopie de fluorescență , spectroscopie de absorbție , spectroscopie de difuzie , spectroscopie fotoelectronică .

Pe baza tipului de analiză a datelor:spectroscopie transformată Fourier (metodă aplicată pe scară largă în măsurarea diferitelor tipuri de spectre pentru a trece de la un spectru înregistrat în domeniul timpului la unul lizibil în domeniul frecvenței, aplicat în mod obișnuit în spectroscopie în infraroșu ( FTIR) și în spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară (FTNMR) timp de aproximativ douăzeci de ani).