Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Apsorpcijski spektri raznih tvari mogu nam pružiti informacije o njihovom kemijskom sastavu, molekularnoj i atomskoj strukturi. Njihovom proizvodnjom i analizom bavi se područje spektroskopije. Znanje stečeno na ovaj način može se koristiti za razvoj i dobivanje novih materijala sa zanimljivim svojstvima, što nam je omogućilo stvaranje modernih zrakoplova, katalizatora ispušnih plinova, fotonaponskih ćelija ili litij-ionskih baterija.
Spektroskopija
Proučavanje atomskih spektara nije korisno samo u znanosti o materijalima - spektroskopska analiza također je temeljna u radu restauratora umjetnina. To vam, između ostalog, omogućuje da shvatite zašto mikrovalna pećnica radi.
Riža. 1. Možemo koristiti apsorpcijsku spektroskopiju za sigurno ispitivanje umjetničkih djela. Izvor fotografije: http://monalisa.org/
Riječ spektar dolazi od latinske riječi spectrum, što znači izgled, prizor ili slika, kao i duh ili fantom. "Spektroskopija" je, pak, metoda dobivanja i proučavanja spektara, odnosno ovisnosti fizikalnih veličina o valnoj duljini, frekvenciji ili energiji svjetlosti. Stoga će se izraz "apsorpcijska spektroskopija" koristiti za opisivanje istraživačkih metoda čija je svrha dobivanje apsorpcijskog spektra tvari.
Imajte na umu da kada pišemo o spektroskopskim metodama, koristimo množinu - ne postoji samo jedna metoda koja se zove "apsorpcijska spektroskopija" . Ovisno o valnoj duljini svjetlosti koja se koristi, može se govoriti o različitim vrstama apsorpcijske spektroskopije (i različitim apsorpcijskim spektrima).Primjeri (ne svi!) ove obitelji prikazani su u tablici 1.
| Vrsta korištenog zračenja | Naziv metode |
| RTG | apsorpcijska spektroskopija rendgenskih zraka |
| UV i vidljivo | UV-vidljiva spektroskopija (UV-VIS-spektroskopija) |
| Infracrveno | Infracrvena apsorpcijska spektroskopija |
| Mikrovalna | Mikrovalna apsorpcijska spektroskopija |
| Radiowave | Spektoskopija nuklearne magnetske rezonancije. Spektoskopija elektronske paramagnetske rezonancije. |
Prije nego što nastavimo, sjetimo se što je apsorpcijski spektar - dobiva se osvjetljavanjem tvari određenim zračenjem i ispitivanjem zračenja koje prolazi kroz tvar.Drugim riječima, ako uočimo odsutnost određenih valnih duljina u apsorpcijskom spektru u usporedbi s upadnim zračenjem, to znači da je te valne duljine apsorbirao materijal.
Shema metode apsorpcije prikazana je na sl. 2, a primjer apsorpcijskog spektra prikazan je na sl. 3. Ovo je apsorpcijski spektar sunčevog zračenja, dobiven kada sunčevo zračenje proizvedeno duboko u zvijezdi prolazi kroz slojeve plina. Vidljive crne linije pokazuju da je dio zračenja apsorbiran.
Riža. 2. Shema tipične metode apsorpcije (apsorpcije)
Riža. 3. Apsorpcijski spektar sunčevog zračenja. Izvor slike: https://ru.wikipedia.org/wiki/Absorption_spectroscopy
Različite vrste apsorpcijske spektroskopije moćni su alati za proučavanje različitih svojstava materijala. U tablici 2 dali smo primjere informacija koje se mogu dobiti proučavanjem apsorpcijskih spektara u različitim spektralnim područjima.
| Vrsta korištenog zračenja | Prijava |
| RTG | Proučavanje međusobnog rasporeda atoma na vrlo malim udaljenostima, proučavanje kemijskog sastava uzorka i oksidacijskog stanja elemenata |
| UV | Ispitivanje kemijskog sastava uzorka, ispitivanje koncentracije otopina |
| Vidljivo | Proučavanje kemijskog sastava zvijezda i međuzvjezdanih oblaka, proučavanje elektronske strukture čvrstih tijela, proučavanje kemijskog sastava uzorka, proučavanje koncentracije otopina |
| Infracrveno | Proučavanje kemijskog sastava plinova, proučavanje tipova veza između atoma, za organske spojeve: određivanje tipova funkcionalnih skupina koje se vežu za ugljikov lanac |
| Mikrovalna | Određivanje duljina veza i kutova između atoma |
| Radijski val | Proučavanje međusobnog rasporeda atoma na vrlo malim udaljenostima, proučavanje oksidacijskog stanja elemenata u uzorku |
Prijava
U tablici 2 predstavljamo tipične znanstvene primjene apsorpcijske spektroskopije. Ali pokušajmo odgovoriti na pitanje - kako nam proučavana svojstva mogu biti korisna? Kakvu korist možemo imati od poznavanja međusobnog rasporeda atoma u materijalu ili vrsta kemijskih veza? Drugim riječima, zašto su ove metode toliko važne?
Odgovor je vrlo općenit - poznavanje ovih aspekata omogućuje nam, posebice, da povežemo različita svojstva materijala s njihovom atomskom strukturom. Znajući kako su svojstva i struktura materijala povezani, možemo pokušati promijeniti tu strukturu i tako poboljšati svojstva materijala.Kao rezultat toga, sada smo u mogućnosti proizvoditi vrlo čvrste i vrlo lagane kompozitne materijale, koji se koriste, primjerice, u konstrukciji zrakoplova, sve naprednijih električnih vodiča, katalitičkih pretvarača za razgradnju ispušnih plinova automobila, litij-ionskih baterija , fotonaponske ćelije ili senzori ispušnih plinova ili drugih otrovnih plinova.
Proučavanjem svojstava različitih materijala pomoću tehnika apsorpcijske spektroskopije, možemo razviti nove materijale s poboljšanim svojstvima. Na primjer, zrakoplov Boeing 787-8 lakši je od svojih prethodnika zbog upotrebe modernih kompozitnih materijala u dizajnu.
Međutim, primjena apsorpcijske spektroskopije nije ograničena na znanost o materijalima. Uzmimo primjer iz sasvim drugog područja – umjetnosti! Proučavajući različita slikarska djela, povjesničare zanimaju odgovori na sljedeća pitanja: je li slika koju danas vidimo ona koju je umjetnik izvorno naslikao? Koja je bila tehnika crtanja? I, na kraju, jednako važno pitanje - je li ova slika original ili vrlo dobro izrađena kopija? Tehnike apsorpcijske spektroskopije mogu dati odgovore na ova pitanja!
U povijesti umjetnosti često se događalo da je umjetnik, na primjer, od mecene dobio narudžbu da naslika prvu verziju određene slike. Ako pokrovitelj nije bio zadovoljan rezultatom, umjetnik bi prebojao ili ponovno nacrtao dijelove slike. Također se događa da pigmenti koji se koriste u bojama nisu izdržali test vremena i promijenili su boju kao rezultat kemijskih reakcija - na primjer, tamnozelena boja može postati smeđa. Naposljetku, događa se da rad izvornog umjetnika naknadno drugi "ispravljaju" . Takve promjene zahvatile su, primjerice, slavnu “Damu s hermelinom” Leonarda da Vincija, gdje je pozadina iza figure obojana crnom bojom, a sama dama i hermelin su retuširani. Trenutna verzija slike prikazana je na slici 4.
Riža. 4. Dama s hermelinom. Autor slike: Leonardo da Vinci. Leonardo da Vinci, javno vlasništvo putem Wikimedia Commons
Na sl. Slika 5 prikazuje fragment hermelina viđen infracrvenim svjetlom. Tamna područja jako apsorbiraju ovo zračenje, svijetla područja slabo.
Veća apsorpcija u nekom području može značiti da možda postoji ranija verzija slike ispod vidljivog sloja - u ovom slučaju, tamnija linija oko lica životinje ukazuje da je bila malo veća u izvornoj verziji slike.
sl.5. Dio hermelina u infracrvenom. Izvor
S druge strane, na sl. Slika 6 prikazuje upotrebu UV apsorpcije. Slika apsorbira ultraljubičasto zračenje i emitira zračenje u vidljivom svjetlu. Sastav ovog svjetla ovisi o vrsti upotrijebljenog pigmenta i njegovom elementarnom sastavu. U crvenoj boji koju je da Vinci naslikao na rukavu haljine portretirane Cecilije Gallerani nalaze se, posebice, olovo, živa, željezo i kalcij. Primijetite kako se udio svakog elementa mijenja u svjetlijim i tamnijim dijelovima rukava.
Riža. 6. Ulomak rukava haljine s elementarnom analizom upotrijebljene boje. Izvor
Proučavanje kemijskog sastava pigmenata omogućuje i odgovor na pitanje koja je bila njihova izvorna boja - je li se boja koju danas vidimo promijenila pod utjecajem, primjerice, vremenskih uvjeta. Konačno, omogućuje vam da utvrdite je li došlo do krivotvorine. Ako se prilikom pregleda slike utvrdi prisutnost bojila koja su po sastavu slična onima koja se koriste danas, a ne u vrijeme nastanka slike, možemo biti sigurni da ova slika nije original.
Promijenimo sada temu na nešto drugačiju - od znanosti o materijalima i umjetnosti, prijeđimo na proučavanje vode. Pokušat ćemo objasniti neka njegova svojstva na temelju apsorpcijskih spektara za različite opsege zračenja.
Znamo da je voda prozirna na vidljivom svjetlu, ali ima blagu plavkastu nijansu. Zašto? Pogledajte sl. 7. Prikazuje ovisnost koeficijenta apsorpcije vode (vertikalna os) o valnoj duljini upadnog zračenja (vodoravna os).Vertikalna os prikazana je u logaritamskoj skali.
Iz grafikona se mogu izvući dva važna zaključka: prvo, koeficijent apsorpcije nije konstantna vrijednost, već ovisi o valnoj duljini (ili frekvenciji) upadne svjetlosti! Drugo, vidimo da se valne duljine koje ostavljaju dojam ljubičaste i plave apsorbiraju više od 100 puta manje od onih povezanih s crvenom! Ovo daje vodi "plavu" nijansu.
Riža. 7. Ovisnost koeficijenta apsorpcije ovisno o valnoj duljini zračenja. Izvor
Analizirajmo sada drugi spektar, ovaj put u mikrovalnom području. Prikazano je na sl. 8. Isprekidane linije na slici prikazuju ovisnost tzv. dielektričnih gubitaka u funkciji frekvencije zračenja i temperature. Dielektrični gubici povezani su s apsorpcijom – što su dielektrični gubici veći, veća je i apsorpcija zračenja.
Stoga, krivulje prikazane na sl. 8. također se može nazvati apsorpcijskim spektrom, jednostavno predstavljenim drugim fizikalnim veličinama. "Gubitak dielektrika" znači da će materijal apsorbirati energiju upadnog zračenja. Znamo da je apsorbirana energija usmjerena na povećanje intenziteta vibracija molekula vode. Makroskopski, to znači da voda povećava svoju temperaturu kada je osvijetljena mikrovalovima.
Riža. 8. Dielektrični gubici vode ovisno o temperaturi i frekvenciji zračenja. Izvor: Andrey Andrievsky, Svetlana M. Kuznetsova, Sergey V. Zhukovsky, Yuri S. Kivshar, Andrey V. Lavrinenko “Voda: obećavajuće mogućnosti za prilagodljive potpuno dielektrične elektromagnetske metamaterijale” Znanstvena izvješća 5:13535, DOi: 10.1038/srep13535.
Možete li smisliti bilo kakvu korist od ovog fenomena? Riječ je, naravno, o mikrovalnoj pećnici. Tipičan uređaj ove vrste proizvodi mikrovalove na frekvenciji od 2,45 GHz (što odgovara valnoj duljini od oko 0,12 m).Od fig. Slika 8 pokazuje da je dielektrični gubitak na ovoj frekvenciji različit od nule - tako da voda prisutna u hrani apsorbira mikrovalno zračenje i povećava svoju temperaturu, što dovodi do zagrijavanja sve hrane.
Analiza sl. 9, može se postaviti i pitanje - zašto u mikrovalnim pećnicama ne koristimo frekvencije gdje su dielektrični gubici još veći - npr. oko 10 GHz? Uostalom, tada bi apsorpcija zračenja bila još učinkovitija, a hrana bi se brže zagrijavala! Odgovor je povezan s drugim svojstvom zračenja - što je veći koeficijent apsorpcije (ili dielektrični gubitak), manje zračenja prodire u materijal.
Veliki dielektrični gubici znače da se većina zračenja apsorbira vrlo blizu površine. Stoga, kada bi mikrovalne pećnice proizvodile mikrovalove više frekvencije, tada bi hrana koja se zagrijava bila vrlo vruća u tankom sloju blizu površine, a duboko bi se ohladila. Pri nižim frekvencijama mikrovalova, apsorbirana energija se ravnomjernije raspoređuje po hrani.
Na kraju, analizirajmo ovisnost koeficijenta upijanja vode za širok raspon frekvencija. Slika 9 prikazuje raspon vidljive svjetlosti o kojem smo ranije govorili. Analizom spektra u širokom rasponu vidljivo je da je apsorpcija vode u vidljivom području vrlo slaba - voda puno bolje upija valove iz infracrvenog i mikrovalnog područja (zbog čega se zagrijava) te iz ultraljubičastog područja. .
Riža. 9. Koeficijent apsorpcije vode ovisno o valnoj duljini zračenja. Izvor
Za usporedbu - apsorpcija u ultraljubičastom je oko milijardu puta jača nego u vidljivom području! Jaka apsorpcija u ovom području već je povezana s fotoionizacijom vode - zračenje apsorbiraju molekule vode i uzrokuju izbacivanje elektrona iz njih.
Svoju prisutnost na Zemlji dugujemo činjenici da voda slabo apsorbira vidljivo zračenje. Kad bi voda snažno apsorbirala ovo vidljivo zračenje, sve vodene površine bile bi tamne i mutne. To bi spriječilo razvoj vodenih biljaka, a potom i vodenih životinja.
Reference
- Elyashevich M.A. Optički spektri // Fizička enciklopedija / Ch. izd. A. M. Prohorov. - M.: Velika ruska enciklopedija, 1994. - V. 4. Poynting-Robertsonov učinak - Streamers. - S. 628-629. - 704 str. - 40.000 primjeraka. - ISBN 5-85270-087-8.
- fizika. 11. razred: udžbenik. za opće obrazovanje ustanove: osnovne i profilne. razine / G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; izd. V. I. Nikolaev, N. A. Parfenteva. - 19. izd. - M.: Prosvjetljenje, 2010. - 399 str.
- Malyshev, VI Uvod u eksperimentalnu spektroskopiju. - M.: Nauka, 1979. - 479 str.
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, ur. (2006). Priručnik za vibracijsku spektroskopiju. New York: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.