Spektroskopija
Spektroskopija je disciplina koja se bavi proučavanjem međudelovanja elektromagnetnog zračenja i materije.[1][2] 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.
Teorija uredi
Centralna teorija spektroskopije je da je svetlost napravljena od različitih talasnih dužina i da svaka talasna dužina odgovara različitoj frekvenciji. Važnost spektroskopije proističe iz činjenice da svaki različiti element u periodičnoj tabeli ima jedinstveni svetlosni spektar opisan frekvencijama svetlosti koje emituje ili apsorbuje i koje se dosledno pojavljuju u istom delu elektromagnetnog spektra kada se ta svetlost defraktuje. Ovo je otvorilo čitavo polje proučavanja bilo čega što sadrži atome, što je sva materija. Spektroskopija je ključ za razumevanje atomskih svojstava materije. Kao takva spektroskopija je otvorila mnoge nove podoblasti nauke koje još nisu bile otkrivene. Ideja da svaki atomski element ima svoj jedinstveni spektralni potpis omogućila je da se spektroskopija koristi u širokom broju polja od kojih svako ima specifičan cilj koji se postiže različitim spektroskopskim procedurama. Nacionalni institut za standarde i tehnologiju održava javnu bazu podataka atomskih spektra koja se stalno ažurira preciznim merenjima.[3]
Proširenje polja spektroskopije proizilazi iz činjenice da se bilo koji deo elektromagnetnog spektra može koristiti za analizu uzorka od infracrvenog do ultraljubičastog, što daje naučnicima podatke o različitim osobinama datog uzorka. Na primer, u hemijskoj analizi, najčešći tipovi spektroskopije uključuju atomsku spektroskopiju, infracrvenu spektroskopiju, ultraljubičastu i vidljivu spektroskopiju, Ramanovu spektroskopiju i nuklearnu magnetnu rezonancu.[4] U nuklearnoj magnetnoj rezonanciji (NMR), teorija koja stoji iza nje je da je frekvencija analogna rezonanciji i njenoj odgovarajućoj rezonantnoj frekvenciji. Rezonancije po frekvenciji su prvi put okarakterisane u mehaničkim sistemima kao što su klatna koja imaju frekvenciju kretanja koju je čuveno zabeležio Galileo.[5]
Podela uredi
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 nuklearnih 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 - 100 µm | 30GHz - 3*1012 | 1 - 100 | 0,01 -1 | Prelazi u rotacionim stanjima | Mikrotalasna spektroskopija |
| Infracrveno zračenje | 100 µm - 1 µm | 3*1012Hz - 3*1014Hz | 100 - 104 | 1 - 100 | Promena vibracionih stanja | Vibraciona spektroskopija; (Infracrvena spektroskopija (IR) i Ramanova spektroskopija) |
| Vidljivo zračenje; UV-zračenje | 1 µm - 10 nm | 3*1014Hz - 3*1016Hz | 104 - 106 | 100 - 104 | Promena stanja spoljašnjih elektrona | UV/VIS-Spektroskopija (UV/Vis), Fluorescentna spektroskopija; Ultrabrza spektroskopija; Atomska spektroskopija |
| Rendgensko zračenje | 10 nm - 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.
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 zaposednutost nivoa. Dakle, energija fotona utrošena je da se sistem prevede iz osnovnog u pobuđeno stanje.
Spontana emisija uredi
Sistem, koji je prvobitno bio u pobuđenom, spontano se vraća u osnovno stanje (ili neko 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 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 takvog 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 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 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 (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 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 uredi
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 procesu emituje slobodan elektron, i da rasejani foton nije 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 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
Reference uredi
- ^ Crouch, Stanley; Skoog, Douglas A. (2007). Principles of instrumental analysis. Australia: Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-495-01201-6.
- ^ Herrmann, R.; Onkelinx, C. (1986). „Quantities and units in clinical chemistry: Nebulizer and flame properties in flame emission and absorption spectrometry (Recommendations 1986)”. Pure and Applied Chemistry. 58 (12): 1737—1742. doi:10.1351/pac198658121737.
- ^ Atomic Spectra Database, NIST, https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database
- ^ Saul, Louise. (2020, April 06). The Different Types of Spectroscopy for Chemical Analysis. AZoOptics. Retrieved on November 10, 2021 from https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=1382.
- ^ Isaac Asimov, Understanding Physics, Vol. 1, p.108.
Literatura uredi
- 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, ur. (2006). Handbook of Vibrational Spectroscopy. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-98847-2. doi:10.1002/0470027320.
- Jerry Workman; Art Springsteen, ur. (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.
