Спектроскопія
Спектроскопія вивчає, як речовина поглинає, випромінює або розсіює електромагнітне випромінювання залежно від енергії чи довжини хвилі. Спектр є не просто “кольоровою смугою”: це кількісна карта енергетичних рівнів, складу, температури, середовища та динаміки.
Атомні лінії
Ізольовані атоми мають дискретні електронні рівні. Перехід між ними поглинає або випромінює фотон hν=ΔE. Набір ліній характерний для елемента, тому спектри використовують для ідентифікації складу зір і лабораторних плазм.
Молекули
Молекули мають електронні, коливальні та обертальні ступені свободи. Інфрачервона спектроскопія особливо чутлива до коливань, мікрохвильова — до обертання, а УФ/видима — до електронних переходів. Реальні смуги містять тонку структуру й залежать від правил відбору.
Поглинання
Закон Бугера–Ламберта–Бера A=εbc пов’язує оптичну густину з концентрацією в ідеалізованому діапазоні. Відхилення виникають при високій концентрації, хімічних рівновагах, розсіянні, насиченні або неідеальному приладі.
Ширина ліній
Спектральні лінії не мають нульової ширини. Існують природне, доплерівське та зіткнювальне уширення, а також інструментальна функція. Форма й ширина можуть містити інформацію про температуру, тиск і час життя станів.
Раманівська спектроскопія
При нееластичному розсіянні фотон обмінюється енергією з коливаннями молекули. Раманівські зсуви доповнюють інфрачервону спектроскопію, бо правила активності відрізняються. Це особливо корисно для симетричних коливань і водних зразків.
Прилад
Спектрометр має джерело або вхідне випромінювання, елемент розділення енергій — ґратку, призму, інтерферометр або аналізатор — і детектор. Роздільна здатність визначає, наскільки близькі особливості можна відрізнити.
Інтерпретація
Ідентифікація речовини вимагає не лише збігу однієї лінії. Перевіряють набір піків, інтенсивності, фон, калібрування та можливі суміші. У кількісній роботі потрібні стандарти, невизначеність і модель матриці зразка.
Калібрування і фон
Надійний спектр потребує калібрування осі довжин хвиль або енергій, корекції чутливості детектора та оцінки фону. Пік без правильної калібровки може бути зміщений, а інтенсивність — спотворена спектральною відповіддю приладу. Тому якісний аналіз завжди відокремлює властивості зразка від властивостей оптичного тракту й детектора.
Вправа
Чому атомний спектр може ідентифікувати елемент?
Розв’язання
Тому що структура енергетичних рівнів залежить від заряду ядра та електронної конфігурації. Дозволені переходи утворюють характерний набір частот, який працює як спектральна “відбитка”.