Spektroskopija

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Skoči na: navigacija, pretraga
Špiritusna lampa i njen vidljivi spektar: Žuta linija na ~600 nm potiče od sveprisutnog natrijuma (mikrogramskih tragova kuhinjske soli).

Spektroskopija je disciplina koja se bavi proučavanjem međudelovanja elektromagnetnog zračenja i materije. Osnovni elementi su izvor zračenja, disperzioni element (ili monohromator, dakle, deo koji razlaže zračenje na komponente prema energiji, frekvenciji ili talasnoj dužini) i apsorber zračenja. Ako su dva od tri elementa dobro definisana onda se na osnovu emitovanog i apsorbovanog zračenja može saznati nešto o onome koji je nepoznat. Na primer, sastav nepoznate legure može da se odredi tako što se na njoj visokim naponom izazove varnica čije se zračenje razloži prizmom (ili optičkom rešetkom) u spektar koji se registruje pogodnim apsorberom (film, fotoelement...). Na osnovu poznatih osobina disperzionog elementa (prizme ili rešetke) može da se odredi talasna dužina svake komponente u spektru a na osnovu poznatih osobina apsorbera njihovi relativni intenziteti, što je dovoljno da se utvrdi vrsta i koncentracija metala u ispitivanoj leguri.

Podela[uredi]

U elektromagnetnom spektru koji se proteže od gama zraka do radio-talasa, vidljiva svetlost obuhvata tek jedan mali deo. Ispod svake oblasti naznačeni su opsezi talasnih dužina: gama zraci ~ 0,01 nm, h-zraci ~ 1 nm, ultraljubičasti zraci ~ 100 nm, vidljiva svetlost ~400-700 nm, infracrveni zraci ~ 1 mm-1 cm i radio-talasi 1 m - 1 km

Spektroskopija je vrlo razvijena disciplina i deli se na brojne poddiscipline prema

  • vrsti zračenja (frekvenciji) (radio, mikrotalasna, terahercna, infracrvena, vidljiva, ultravioletna, rendgenska, gama)
  • nivou interakcija (nuklearna, atomska, molekulska, agregaciona)
  • pronalazaču (Mesbauerova, Ramanova...)
  • tehnici (Furijeova, rezonantna, laserska, koherentna, emisiona, apsorpciona)

Iz ovoga se stiče utisak da je broj metoda mnogo veći od stvarnog. Tablica u sledećem odeljku daje bolji uvid u veze među raznim metodama i njihovim osobinama.

Veza među spektroskopskim metodama i talasnim dužinama[uredi]

EM zračenje Talasna dužina Frekvencija Talasni broj u cm-1 Energija u kJ/mol osnovne osobine Spektroskopska metoda
Radio-talasi 100 - 1m 3MHz - 300MHz 10-4 - 0,01 10-6 - 10-4 Prelazi nukearnih spinova NMR spektroskopija (takođe radiospektroskopija)
Radio-talasi 1m - 1cm 300MHz - 30GHz 0,01 - 1 10-4 - 0,01 Prelazi elektronskih spinova Elektronska spinska rezonancija (ESR/EPR)
Mikrotalasi 1cm - 100µm 30GHz - 3*1012 1 - 100 0,01 -1 Prelazi u rotacionim stanjima Mikrotalasna spektroskopija
Infracrveno zračenje 100µm - 1µm 3*1012Hz - 3*1014Hz 100 - 104 1 - 100 Promena vibracionih stanja Vibraciona spektroskopija; (Infracrvena spektroskopija (IR) i Ramanova spektroskopija)
Vidljivo zračenje; UV-zračenje 1µm - 10nm 3*1014Hz - 3*1016Hz 104 - 106 100 - 104 Promena stanja spoljašnjih elektrona UV/VIS-Spektroskopija (UV/Vis), Fluoroscentna spektroskopija; Ultrabrza spektroskopija; Atomska spektroskopija
Rendgensko zračenje 10nm - 100pm 3*1016Hz - 3*1018Hz 106 - 108 104 - 106 Promena stanja unutrašnjih elektrona Rendgenska spektroskopija (XRS); Elektronska spektroskopija; Ožeova elektronska spektroskopija (AES); Mesbauerova spektroskopija
Gama zračenje 100pm - 1pm 3*1018Hz - 3*1020Hz 108 - 1010 106 - 108 Promena nuklearnih stanja (nukleonski prelazi) ) Gama spektroskopija

Međudelovanje elektromagnetnog zračenja i materije[uredi]

Za razliku od makroskopske skale gde se većina promena odvija kontinualno (voda teče brže ili sporije, već koliko se otvori slavina) na atomskom nivou pojave su diskretne, tj., elementarni događaj se ili odigra u celini ili uopšte do njega ne dođe (fotnon se ili apsorbuje u celini ili se ne apsorbuje uopšte). Dakle, na mikroskopskom nivou sve se dešava u skokovima i u porcijama (kvantima) što se direktno ispoljava u spektrima. Zbog diskretne (kvantne) prirode materije i većina spektara ima diskretnu strukturu, tj., sastoji se od diskretnih linija ili traka.

Odatle je jasno da je i međudelovanje elektromagnetnog zračenja i materije diskretne prirode. Za približni opis pojava, pored kvantne prirode dovoljno je držati se prvog principa termodinamike iz kojeg sledi da ukupna energija sistema pre i posle elementarnog događaja mora da ostane očuvana. U spektroskopiji je taj princip formulisan preko Borovog uslova, prema kojem, da bi došlo do interakcije, razlika energijskih nivoa u sistemu mora biti jednaka energiji fotona elektromagnetnog zračenja.

Shematski prikaz apsorpcije zračenja: Sistem apsorbuje foton i to samo ako je energija fotona jednaka energijskoj razlici među nivoima u sistemu.

Apsorpcija zračenja[uredi]

Sistem apsorbuje foton i to samo ako je energija fotona jednaka energijskoj razlici među nivoima u sistemu. Posle apsorpcije zračenja, sistem ostaje u pobuđenom stanju. Talasastom strelicom predstavljen je upadni foton, horizontalnim linijama diskretni energijski nivoi a kuglicama zaposednitost nivoa. Dakle, energija fotona utrošena je da se sistem prevede iz osnovnog u pobuđeno stanje.

Spontana emisija zračenja: Sistem se iz višeg vraća u niže stanje pri čemu je energija fotona jednaka energijskoj razlici među njima.

Spontana emisija[uredi]

Sistem, koji je prvobitno bio u pobuđenom, spontano se vraća u osnovno stanje (ili eko drugo pobuđeno stanje niže energije) uz emisiju fotona. Kao i kod apsorpcije, i ovde mora da bude ispunjen Borov uslov te energija emitovanog fotona odgovara energijskoj razlici nivoa među kojima dolazi do prelaza. Verovatnoća za spontanu emisiju raste približno sa trećim stepenom energijske razlike među nivoima (dva puta veća razlika ima osam puta veću verovatnoću prelaza) ali može da zavisi i od lokalnih uslova zbog kojih verovatnoća može da bude i uvećana i umanjena. Na primer, za funkcionisanje lasera važno je postojanje stabilizovanih pobuđenih stanja, tj., takvih stanja gde je verovatnoća za spontanu emisiju mnogo manja od očekivane.

Stimulisana emisija zračenja: Upadni foton koji ima istu energiju kao i spontano emitovani foton stimuliše pobuđeni sistem da emituje novi isti takv foton pri čemu upadni foton prolazi kroz sistem neizmenjen.

Stimulisana emisija[uredi]

Svaki sistem u pobuđenom stanju, ranije ili kasnije se vraća u osnovno. Verovatnoća za emisiju fotona znatno raste ako se sistem koji je već u pobuđenom stanju obasja fotonima čija energija odgovara razlici među nivoima. Dakle, spoljašnji foton stimuliše emisiju fotona i to tavog koji je u svakom pogledu identičan upadnom fotonu. Emitovani foton ima istu energiju, pravac kretanja, polarizaciju i fazu. Kaže se da je emitovani foton koherentan sa fotonom koji je stimulisao njegovu emisiju.

Rejlijevo rasejanje: Upadni foton menja pravac kretanja ali ne i talasnu dužinu (energiju). Nakon rasejanja sistem ostaje nepromenjen.

Rejlijevo rasejanje[uredi]

U Rejlijevom rasejanju upadni foton menja smer kretanja ali ne menja energiju. Dakle, njegova talasna dužina se ne menja a ne menja se ni energijsko stanje sistema što je osnovna odlika elastičnog rasejanja. Ovo rasejanje obrnuto je proporcionalno četvrtom stepenu talasne dužine fotona. Dakle fotoni manjih talasnih dužina rasejavaju se više nego fotoni većih. Zato je nebo po vedrom danu plavo a u suton i svitanje crvenkasto.

Ramanovo rasejanje zračenja. Upadni foton prilikom rasejanja razmenjuje energiju sa nekim od unutrašnjih oblika kretanja u molekulu (rotacije, vibracije) pa se rasejava sa malo većom ili manjom energijom od prvobitne. Iako je njihov broj vrlo mali, oni se lako detektuju jer skreću sa prvobitne putanje upadnih fotona.

Ramanovo rasejanje[uredi]

Ramanovo rasejanje je primer neelastičnog rasejanja gde se menja i energija rasejanog fotona i energija sistema. Najveći broj fotona se rasejava elastično ali u sistemima koji imaju i dodatno unutrašnje kretanje (vibracije ili rotacije molekula) poneki foton može da primi energiju molekulskog kretanja i da se raseje sa malom većom energijom (antistoksovo rasejanje), ili da preda energiju unutrašnjem kretanju pa da se raseje sa nešto nižom energijom (Stoksovo rasejanje). Pošto su rotacioni i vibracioni nivoi kvantirani, kvantirana je i energija razmene pri rasejanju pa Ramanove spektralne linije imaju dobro definisane talasne dužine koje zavise od prirode molekulskog sistema sa kojeg dolazi do rasejavanja.

Foto-jonizacija: energija upadnog fotona troši se na rad potreban za izbacivanje vezanog elektrona. Kinetička energija vezanog elektrona jednaka je razlici energije fotona i izlaznog rada elektrona.

Foto-jonizacija (fotoelektrični efekat)[uredi]

Ako je energija upadnog fotona veća od energije veze elektrona u atomu, molekulu ili kristalu onda energija fotona može da dovede do jonizacije mete.


Ožeov efekat. Foton ogromne energije pobuđuje elektron iz unutrašnje ljuske. U rekombinaciji elektronskih nivoa deo energije, umesto emisijom fotona, prenosi se u okolinu emisijom sekundarnih Ožeovih elektrona.

Ožeov efekat[uredi]

Foton ogromne energije (obično iz opsega h-zraka) može da pobudi elektrone iz unutrašnjosti elektronskog omotača i da ostavi upražnjeno mesto vrlo niske energije. To upražnjeno mesto može da popuni elektron iz višeg energijskog stanja pri čemu višak energije treba da preda okolini. Najčešće se to dešava emisijom drugog fotona ali ponekad umesto fotona iz atoma izleće neki drugi elektron. Taj ožeov elektron ima vrlo određenu kinetičku energiju jednaku razlici oslobođene energije u prvobitnom procesu rekombinacije elektronskih nivoa i sopstvene vezivne energije izbačenog elektrona. Ožeov efekat se razlikuje od foto jonizacije u tome što emitovani elektron ima tačno određenu kinetičku energiju koja zavisi od atoma iz kojeg elektron izleće.


Komptonov efekat: Upadni foton velike energije izbija elektron iz mete pri čemu se njegova energija umanjuje (talasna dužina raste) za iznos kinetičke energije izbačenog elektrona. Vezivna energija elektrona može se zanemariti jer je mala u odnosu na energiju fotona. Rasejani foton menja pravac prema pravilima sudara.

Komptonov efekat[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Komptonov efekat

Koptonov efekat je neelastičan sudar visokoenergijskog fotona (obično iz domena h-zraka) i atoma. Može se kvantitativni opisati kao elastični sudar fotona i slabo vezanog elektrona. Rasejani foton predaje samo deo energije izbačenom elektronu. Komptonov efekat je bio dugo korišćen kao dokaz slabosti kvantne teorije jer je razmena energije fotona i elektrona kontinualna, tj., ne odvija se u kvantima (porcijama). Međutim, protivurečnosti nema ako se ima u vidu da se u porcesu emituje slobodan elektron, i da rasejani foton ije onaj isti kao upadni, tj., upadni foton je apsorbovan a odmah zatim emitovan novi foton i slobodni elektron. Zbir energija (i impulsa) rasejanih čestica jednak je energiji (impulsu) upadnog fotona.


Stvaranje parova čestica-antičestica: Foton ogromne energije iz domena gama zračenja, u interakciji sa metom stvara par čestica - antičestica. Energija i impuls para jednaki su energiji i impulsu upadnog fotona. Vrsta para zavisi od energije fotona. Za nastanak para elektron-pozitron potreban je foton energije od bar 1,022 MeV.

Stvaranje parova[uredi]

Fotoni ogromnih energija iz domena gama zraka u međudelovanju sa materijom mogu da dovedu do stvaranja para čestica - antičestica. Energija fotona se troši na nastanak mase materijalnih čestica i na njihovu kinetičku energiju. Proces je suprotan anihilaciji para čestica - antičestica.

Vidi još[uredi]

Spoljašnje veze[uredi]

Vikiostava
Vikimedijina ostava ima još multimedijalnih datoteka vezanih za: Spektroskopija