Apsorpcioni spektar

Pregled apsorpcije elektromagnetnog zračenja. Ovaj primer govori o opštem principu koristeći vidljivu svetlost. Izvor belog snopa - koji emituje svetlost više talasnih dužina - fokusiran je na uzorak (komplementarni parovi boja su označeni žutim isprekidanim linijama). Kada dosegnu uzorak, fotoni koji odgovaraju energetskom jazu prisutnih molekula (zeleno svetlo u ovom primeru) se apsorbuju, čime se pobuđuje molekul. Ostali fotoni prenose se netaknuti, i ako je zračenje u vidljivoj regiji (400-700nm), boja uzorka je komplementarna boja apsorbovane svetlosti. Upoređivanjem prigušenja prenesene svetlosti sa upadnim svetlom može se dobiti spektar apsorpcije.
Prva direktna detekcija i hemijska analiza atmosfere jedne egzoplanete 2001. godine. Natrijum u atmosferi filtrira zvezdanu svetlost HD 209458, dok gigantska planeta prolazi ispred zvezde.
Solarni spektare sa Fraunhoferovim linijama kao što izgleda vizualno.

Apsorpcioni spektar materijala je frakcija upadne radijacije koju je materijal apsorbovao na rasponu frekvencija. Apsorpcioni spektar je prvenstveno određen[1][2][3] atomskom i molekulskom kompozicijom materijala. Postoji veća verovatnoća da će do apsorpcije radijacije doći na frekvencijama koje se poklapaju sa energetskom razlikom između dva kvantno mehanička stanja molekula.[4][5] Apsorpcija do koje dolazi usled prelaza između dva stanja se naziva apsorpcionom linijom i spektar se tipično sastoji od mnoštva linija.[6]

Frekvencije gde se javljaju apsorpcione linije, kao i njihovi relativni intenziteti, prvenstveno zavise od elektronske i molekulske strukture uzorka. Frekvencije isto tako zavise od interakcija između molekula u uzorku, kristalne strukture čvrstog materijala, i nekoliko faktora okruženja (e.g., temperatura, pritisak, elektromagnetno polje). Širina i oblik linija su prvenstveno zavisni od spektralne gustine ili gustine stanja sistema.

Teorija

Apsorpcione linije se tipično klasifikuju po prirodi kvantno mehaničke promene indukovane u molekulu ili atomu. Rotacione linije se na primer javljaju kad se rotaciono stanje molekula promeni. Rotacione linije se tipično sreću u mikrotalasnom spektralnom regionu. Vibracione linije korespondiraju primenama vibracionih stanja molekula i tipično se nalaze u infracrvenom regionu. Elektronske linije korespondiraju promeni elektronskog stanja atoma ili molekula i tipično se nalaze u vidljivom ili ultraljubičastom regionu. Apsorpcije X-zraka su povezane sa pobuđivanjima unutrašnjih ljuski elektrona u atomima. Te promene isto tako mogu da budu kombinovane (e.g. rotaciono-vibracioni prelazi), što dovodi do novih apsorpcionih linija sa kombinovanom energijom te dve promene.

Energija vezana za kvantno mehaničke promene prvenstveno određuje frekvenciju apsorpcione linije, mada frekvencija može da bude pomerena usled nekoliko tipova interakcija. Električna i magnetna polja mogu da imaju uticaja. Interakcije sa susednim molekulima mogu da uzrokuju pomeranja. Na primer, apsorpcione linije molekula u gasnoj fazi mogu da budu znatno pomerene kad taj molekul pređe u tečno ili čvrsto stanje i formira jače interacije sa susednim molekulima.

Širina i oblik apsorpcionih linija su određeni instrumentom koji se koristi za merenje, materijalom koji apsorbuje radijaciju i fizičkim okruženjem tog materijala. Uobičajeno je da linije imaju oblik Gausove ili Lorencove distribucije. Isto tako je uobičajeno da se linije oposuju samo njihovim intenzitetom i širinom umesto celokupnog oglika.

Integrisani intenzitet — dobijen putem integracije površine ispod apsorpcione linije — proporcionalan je količini prisutne apsorbujuće supstance. Intenzitet je isto tako zavistan od temperature supstance i kvantno mehaničkih interakcije između radijacije i apsorbera. Ova interakcija se kvantifikuje putem momenta tranzicije i zavisi od datog nižeg stanja sa koga prelaz započinje, kao i gornjeg stanja.

Širina apsorpcionih linija se može odrediti pomoću spektrometra. Spektrometar ima nasledno ograničenje u pogledu stepena u kome može da odredi najužu moguću širinu linija. Ako je širina veća od rezolucionog limita, onda je ona prvenstveno zavisna od okoline apsorbera. Tečni ili čvrsti apsorber, u kojima susedni molekuli formiraju jake međusobne interakcije, imaju tendenciju formiranja širih linija u odnosu na gasove. Povećanje temperature i pritiska apsorbujućeg materijala isto tako ima tendenciju proširivanja linija. Takođe se često događa da je nekoliko susednih prelaza dovoljno međusobno blizo da se njihove linije preklope i da je rezultirajuća linija stoga još šira.

Relacija sa transmisionim spektrom

Apsorpcioni i transmisioni spektri predstavljaju ekvivalentne informacije i jedan se može izračunati iz drugog putem matematičkih transformacija. Transmisioni spektar ima maksimalni intenzitet na talasnim dužinama gde je apsorpcija najslabija, jer se više svetlosti prenosi kroz uzorak. Apsorpcioni spektar će umati svoj maksimalni intenzitet na talasnim dužinama gde je apsorpcija najjača.

Relacija sa emisionim spektrom

Emisioni spektar gvožđa

Emisija je proces kojim supstanca oslobađa energiju u obliku elektromagnetne radijacije. Do emisije može da dođe na bilo kojoj frekvenciji na kojoj dolazi do apsorpcije, i to omogućava da se apsorpcione linije odrede iz emisionog spektra. Emisioni spektar tipično ima sasvim različit obrazac intenziteta od apsorpcionog spektra, tako da oni nisu ekvivalentni. Apsorpcioni spektar se može izračunati iz emisionog spektra koristeći odgovarajuće teoretske modele i dodatne informacije o kvantno mehaničkim stanjima supstance.

Relacija sa spektrima rasipanja i reflekcije

Spektri rasipanja i reflekcije materijala su zavisni od indejsa refrakcije[7][8] i apsorpcionog spektra. U optičkom kontekstu, apsorpcioni spektar se tipično kvantifikuje putem koeficijenta ekstinkcije,[9] i koeficijenti ekstinkcije i prelamanja su kvantitativno povezani putem Kramers-Kronigove relacije.[10][11][12] Stoga se apsorpcioni spektar može izvesti iz spektra rasipanja ili reflekcije. Ovo obično zahteva pojednostavljivanje pretpostavki ili modela, pa je izvedeni spektar apsorpcije aproksimacija.

Reference

  1. ^ Modern Spectroscopy (Paperback) by J. Michael Hollas. ISBN 978-0-470-84416-8.
  2. ^ Symmetry & Spectroscopy: An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy (Paperback) by Daniel C. Harris, Michael D. Bertolucci. ISBN 978-0-486-66144-5.
  3. ^ Spectra of Atoms and Molecules by Peter F. Bernath. ISBN 978-0-19-517759-6.
  4. ^ Weinberg, S. (2002). The Quantum Theory of Fields. I. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-55001-7. 
  5. ^ Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-111892-8. 
  6. ^ Rothman, L.S.; Gordon, I.E.; Babikov, Y.; Barbe, A.; Chris Benner, D.; Bernath, P.F.; Birk, M.; Bizzocchi, L.; Boudon, V.; Brown, L.R.; Campargue, A.; Chance, K.; Cohen, E.A.; Coudert, L.H.; Devi, V.M.; Drouin, B.J.; Fayt, A.; Flaud, J.-M.; Gamache, R.R.; Harrison, J.J.; Hartmann, J.-M.; Hill, C.; Hodges, J.T.; Jacquemart, D.; Jolly, A.; Lamouroux, J.; Le Roy, R.J.; Li, G.; Long, D.A.; et al. (2013). „The HITRAN2012 molecular spectroscopic database”. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 130: 4—50. Bibcode:2013JQSRT.130....4R. ISSN 0022-4073. doi:10.1016/j.jqsrt.2013.07.002. 
  7. ^ Hecht, Eugene (2002). Optics. Addison-Wesley. ISBN 978-0-321-18878-6. 
  8. ^ Attwood, David (1999). Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation: principles and applications. стр. 60. ISBN 978-0-521-02997-1. 
  9. ^ Dresselhaus, M. S. (1999). „Solid State Physics Part II Optical Properties of Solids” (PDF). Course 6.732 Solid State Physics. MIT. Архивирано (PDF) из оригинала 24. 7. 2015. г. Приступљено 5. 1. 2015. 
  10. ^ Toll, John S. (1956). „Causality and the Dispersion Relation: Logical Foundations”. Physical Review. 104: 1760—1770. Bibcode:1956PhRv..104.1760T. doi:10.1103/PhysRev.104.1760. 
  11. ^ R. de L. Kronig (1926). „On the theory of the dispersion of X-rays”. J. Opt. Soc. Am. 12: 547—557. doi:10.1364/JOSA.12.000547. 
  12. ^ H. A. Kramers (1927). „La diffusion de la lumière par les atomes”. Atti Cong. Intern. Fisici, (Transactions of Volta Centenary Congress) Como. 2: 545—557. 

Literatura

Spoljašnje veze

Apsorpcioni spektar на Викимедијиној остави.