Spektroskopia
Spektroskopia tutkii aineen ja sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutusta energian tai aallonpituuden funktiona. Hyvin tulkittu spektri voi paljastaa energiatiloja, koostumusta, lämpötilaa, painetta ja liikettä.
Atomiviivat
Atomien elektronitilat ovat diskreettejä. Siirtymä kahden tason välillä absorboi tai emittoi fotonin, jonka energia on hν=ΔE. Viivojen yhdistelmä on alkuaineelle ominainen ja toimii tunnistuskeinona laboratorioissa ja tähtitieteessä.
Molekyylispektrit
Molekyyleillä on elektronisten tilojen lisäksi rotaatio- ja värähtelytiloja. Mikroaalto-, infrapuna- ja UV/näkyvä spektroskopia tarkastelevat eri energiasuuruuksia. Bändien rakenne ja valintasäännöt kertovat sidoksista ja symmetriasta.
Beer–Lambert
Laimennetussa ideaalissa liuoksessa absorbanssi voi noudattaa A=εbc. Se mahdollistaa pitoisuuden määrityksen, mutta suuret pitoisuudet, kemialliset tasapainot, sironta ja instrumentin epäideaalisuus voivat rikkoa lineaarisuuden.
Viivanleveys
Spektriviiva ei ole äärettömän kapea. Luonnollinen elinaika, Doppler-liike, törmäykset ja instrumentin vaste leventävät viivaa. Leveys ja muoto voivat siksi sisältää tietoa lämpötilasta, paineesta ja tilojen eliniästä.
Raman
Raman-sironnassa fotoni vaihtaa energiaa molekyylin värähtelyn kanssa. Raman- ja infrapunaspektroskopian valintasäännöt eroavat ja menetelmät täydentävät toisiaan. Raman toimii usein hyvin vesipohjaisissa näytteissä.
Spektrometri
Laite tarvitsee energian erottelevan elementin ja detektorin. Hilat, prismat ja interferometrit antavat erilaisia resoluutio- ja kaistaominaisuuksia. Instrumentin vaste täytyy tuntea, jotta intensiteettejä voidaan verrata luotettavasti.
Kalibrointi ja tausta
Aalto- tai energia-akseli kalibroidaan tunnetuilla viitteillä, tausta arvioidaan ja detektorin herkkyys huomioidaan. Yhden piikin sattumanvarainen osuma ei riitä tunnistukseen; usean ominaisuuden konsistenssi ja epävarmuus ovat olennaisia.
Valintasäännöt
Pelkkä energioiden erotus ei takaa voimakasta spektriviivaa. Siirtymämatriisielementti, symmetria ja kulmaliikemäärän säilyminen määräävät valintasääntöjä. Heikosti sallittuja tai “kiellettyjä” siirtymiä voi silti esiintyä korkeamman multipolin tai tilasekoituksen kautta, ja niiden pitkä elinaika voi olla kokeellisesti erittäin tärkeä.
Signal-støj og detektionsgrænse
En lille spektral top er kun meningsfuld, hvis den kan skelnes fra støj og baggrund med en kendt statistisk sikkerhed. Længere integration kan forbedre signal-støj-forholdet, men systematiske fejl og mørkestrøm forsvinder ikke automatisk. Kvantitativ spektroskopi kræver derfor også blindprøver, standarder og en klart defineret detektionsgrænse.
Harjoitus
Miksi atomispektri toimii alkuaineen tunnisteena?
Ratkaisu
Ytimen varaus ja elektronirakenne määräävät energiatilat, joten sallitut siirtymät muodostavat alkuaineelle tyypillisen taajuusjoukon.