Что такое спектроскопия

Спектроскопия — разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом.

В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии — для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии.

Изучение взаимодействия между светом и атомами вещества легло в основу важной отрасли экспериментально-прикладной науки, которая называется спектроскопия, или спектральный анализ.

Поскольку ядра атомов различных элементов содержат различное число протонов, электроны в этих атомах располагаются на отличающихся друг от друга разрешенных орбитах (или, если придерживаться современной, более сложной картины строения атома, — орбиталях, определяющих вероятность нахождения электрона в определенной области, а не его точное местонахождение).

Это означает, что в атомах различных химических элементов энергии квантовых скачков между разрешенными орбиталями отличаются, и они будут излучать свет с различными длинами волн.

Так, в видимом спектре излучения натрия наблюдаются лишь две близко расположенные линии в желтой части спектра (вот почему уличные натриевые лампы дневного света можно узнать по характерному желтоватому свечению), а у ртути спектральные линии приходятся на сине-голубую область (соответственно, если лампа уличного освещения светится голубоватым светом, значит это ртутная лампа).

Простой, казалось бы, факт, что мы можем судить об атомном составе вещества по длине волн излучаемого им света, дал начало целой отрасли экспериментальных и прикладных исследований — спектроскопии. Набор линий в спектре каждого химического элемента уникален.

Далее, если атом ионизирован, этот набор спектральных линий смещается и образует новую характерную серию в спектре. Таким образом, обнаружив серию спектральных линий (или набор излучаемых частот, что, по сути, то же самое) изучаемого тела или вещества (например, при накаливании неизвестного материала неизвестного нам химического состава в пламени горелки Бунзена), мы можем с уверенностью судить о присутствии или отсутствии соответствующих химических элементов в составе исследуемого материала.

Это основа так называемой эмиссионной спектроскопии. Сравнивая интенсивность излучения спектральных линий, характерных для различных элементов, мы можем рассчитать их количественное соотношение в веществе и определить его химический состав.

Благодаря этому нам даже не надо исследовать вещество в химической лаборатории, и мы можем судить о химическом составе светящихся объектов, например звезд и галактик, находящихся на колоссальном удалении от них.

Сходным образом работает и абсорбционная спектроскопия. В этом случае через изучаемое вещество пропускается белый свет (представляющий из себя сплошной спектр световых частот), и выявляются линии поглощения, соответствующие частотам и длинам волн квантовых переходов электронов на более высокие орбитали.

Соответственно, рассматривая спектральную картину такого света, пропущенного через вещество, мы увидим темные линии поглощения и можем судить о составе вещества.

Абсорбционная спектроскопия широко применяется в астрофизике для исследования химического состава планет, туманностей, газопылевых облаков и других космических объектов, не обладающих собственным свечением, по темным линиям в спектре белых звезд-источников, находящихся за ними.

К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики in situ, т.е. непосредственно в среде обитания объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

По диапазону длин волн (или частот) электромагнитного излучения выделяют радиоспектроскопию, микроволновую спектроскопию, оптическую спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию и гамма-спектроскопию.

Оптическую спектроскопию на практике иногда отождествляют со спектрофотометрией. В каждом разделе спектроскопии используются свои приборы для получения, регистрации и измерения спектров.

В соответствии с различием конкретных экспериментальных методов выделяют специальные разделы спектроскопии, например Фурье-спектроскопия, лазерная спектроскопия.

Систематическое изучение спектров началось во 2-й половине 19 века.

В 1859 Г. Р. Кирхгоф сформулировал принципы спектрального анализа. Н. Бор в 1913 объяснил закономерности в расположении спектральных линий. Изучение спектров атомов послужило основой создания квантовой механики. По спектрам были открыты несколько химических элементов.

Методы спектроскопии используют для исследования уровней энергии атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, изучения строения и свойств химичесих соединений, для проведения качественного и количественного анализа веществ.

Задачи спектроскопии

Прямая задача спектроскопии — предсказание вида спектра вещества исходя из знаний о его строении, составе и прочем.

Обратная задача спектроскопии — определение характеристик вещества (не являющихся непосредственно наблюдаемыми величинами) по свойствам его спектров (которые наблюдаются непосредственно и напрямую зависят как от определяемых характеристик, так и от внешних факторов).