Mini-kurzus
Spektroszkópia
A spektroszkópia azt vizsgálja, hogyan bocsát ki, nyel el vagy szór az anyag különböző energiájú elektromágneses sugárzást. Mivel atomoknak és molekuláknak kvantált energiaállapotaik vannak, spektrumuk jellegzetes „ujjlenyomatot” adhat összetételről, szerkezetről és fizikai állapotról.
Emissziós vonalak
Gerjesztett atom magasabb energiaszintről alacsonyabbra kerülve fotont bocsáthat ki, amelynek energiája hν=ΔE. Mivel csak meghatározott szintek engedélyezettek, az emissziós spektrumban diszkrét vonalak jelennek meg. A vonal hullámhossza közvetlen kapcsolatban áll az átmenet energiakülönbségével.
Abszorpciós spektrum
Ha folytonos fény halad ritkább gázon át, az atomok bizonyos fotonenergiákat elnyelhetnek és magasabb szintre gerjesztődhetnek. A továbbhaladó fényben sötétebb abszorpciós vonalak maradnak. Ugyanazon atom emissziós és abszorpciós vonalainak energiái összefüggnek, mert ugyanazon energiaszint-különbségek szerepelnek.
Molekulák: többféle mozgás
Molekulákban elektronállapotok mellett rezgési és forgási energiaszintek is vannak. Infravörös spektroszkópia különösen molekularezgésekre érzékeny, mikrohullámú tartomány forgási átmeneteket vizsgálhat, UV–látható spektroszkópia pedig elektronátmeneteket. A pontos kiválasztási szabályok megmondják, mely átmenetek adnak mérhető jelet.
Vonalintenzitás és koncentráció
Oldatok abszorpciójánál megfelelő tartományban Beer–Lambert törvény használható: A=εbc, ahol A az abszorbancia, ε a moláris abszorpciós tényező, b az úthossz és c a koncentráció. Ez mennyiségi analízist tesz lehetővé, de nagy koncentráció, kémiai egyensúlyváltozás vagy műszeres korlát eltérést okozhat a linearitástól.
Felbontás és vonalszélesség
Valós spektrumvonal nem végtelenül vékony. Termikus Doppler-szélesedés, ütközések, természetes élettartam és a műszer felbontása mind szélesítheti. Két közeli átmenet elkülönítéséhez elegendő spektrális felbontás kell. Ezért a „vonal helye” mellett a vonal alakja és szélessége is fizikai információt hordoz.
Csillagászati alkalmazás
Csillag fényének abszorpciós vonalaiból azonosíthatók elemek és ionok a légkörében, a vonalak Doppler-eltolódása pedig sugárirányú sebességre utalhat. Vonalintenzitások és ionizációs állapotok a hőmérsékletről és sűrűségről is információt adhatnak. Így távoli objektumokhoz nem kell mintát fizikailag hazahozni.
Spektrum nem automatikus „azonosító kód”
Egy mérés értelmezéséhez kalibráció, háttérkorrekció, megfelelő modell és gyakran több vonal együttes vizsgálata szükséges. Keverékek vonalai átfedhetnek, mátrixhatások módosíthatják az intenzitást. A spektroszkópia ereje nem egyetlen csúcs felismerésében, hanem a teljes, fizikailag megalapozott mintázat értelmezésében van.
Próbáld ki
Egy atom átmenete 3,0 eV energiakülönbséghez tartozik. Nagyságrendileg milyen hullámhosszú fotonról van szó? Használd hc≈1240 eV·nm értéket.
Megoldás
λ=hc/E≈1240/3,0≈413 nm, vagyis a látható tartomány ibolyás-kék részének közelében.