Спектроскопи́я — область исследований в науке, посвящённая измерению, изучению и интерпретации спектров электромагнитного излучения, которые возникают при переходах между энергетическими уровнями в атомах и молекулах, а также образованных из них макроскопических объектах. В более широком смысле в спектроскопии занимаются изучением спектров различных видов излучения.
Каждый атом или молекула обладает собственным уникальным спектром, по которому его можно идентифицировать. Например, спектр излучения ртути (см. изображение) представляет собой набор светящихся цветных линий на тёмном фоне. Это означает, что сильно нагретый или возбуждённый током газ (в данном случае это пары ртути) излучает свет на определённых длинах волн, характерных исключительно для этого вещества. Для сравнения: спектр поглощения выглядел бы наоборот — как радужная полоса с тёмными линиями на ней. Такой спектр поглощения бы означал, что пары ртути поглощают свет лишь определённых длин волн, пропуская через себя или отражая все остальные. Набор длин волн для каждого элемента задаётся его уникальной электронной конфигурацией. Таким образом, по данному спектру можно точно определить, какой элемент его создаёт.
Одно из важнейших применений спектроскопии — определение элементного и/или молекулярного состава образца вещества. Спектроскопия, преимущественно в электромагнитном спектре, является фундаментальным исследовательским инструментом в области астрономии, химии, материаловедения и физики, позволяя исследовать состав, физическую и электронную структуру вещества на атомном, молекулярном и макроскопическом уровнях, а также на астрономических расстояниях . Методы спектроскопии также применяются при изучении таких макроскопических свойств тел, как температура и плотность, а в аналитической химии — для обнаружения и определения конкретных веществ.
Исторически спектроскопия возникла как изучение поглощения видимого света, рассеянного призмой, веществом в газовой фазе в зависимости от длины волны. Текущие применения спектроскопии включают биомедицинскую спектроскопию в области анализа тканей и медицинской визуализации или изучение далёких объектов в космосе. Волны материи и акустические волны могут рассматриваться как формы энергии излучения, а гравитационные волны были связаны со спектральной сигнатурой в контексте Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Google Books.
В зависимости от вида изучаемого спектра — испускания (эмиссионные), поглощения (абсорбционные), отражения, рассеяния и люминесценции — различают соответствующие виды спектроскопии, например, абсорбционная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, спектроскопия отражения и другие.
К преимуществам спектроскопии относится возможность диагностики in situ, то есть непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта (в отдельных случаях). Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.
Введение Спектроскопия — это раздел науки, изучающий спектры электромагнитного излучения в зависимости от его длины волны или частоты, измеряемые с помощью спектрографического оборудования и других методов, с целью получения информации о структуре и свойствах вещества. Приборы для спектральных измерений называются спектрометрами, спектрофотометрами, спектрографами или спектроанализаторами. Большинство спектроскопических анализов в лаборатории начинается с анализируемого образца. Свет от источника пропускается через монохроматор для пространственного разделения цветов, прежде чем выбранная полоса частот пройдёт через образец, после чего выходной сигнал фиксируется фотодиодом. Для астрономических целей телескоп должен быть оснащён устройством дисперсии света. Существуют различные версии этой базовой установки, которые могут применяться.
Спектроскопия началась с того, что Исаак Ньютон разложил свет с помощью призмы на видимые цвета. Это стало ключевым моментом в развитии современной оптики. После вкладов Джеймса Клерка Максвелла это исследование впоследствии стало включать весь электромагнитный спектр. Хотя цвет и связан со спектроскопией, он не эквивалентен поглощению и отражению определённых электромагнитных волн, которые придают объектам или элементам ощущение цвета для человеческих глаз. Скорее, спектроскопия включает в себя разложение света призмой, дифракционной решёткой или подобным инструментом для отображения определённого дискретного набора линий, называемого «спектром», который уникален для каждого типа элемента или молекулы. Большинство элементов сначала переводятся в газообразное состояние, чтобы можно было изучить их спектры, хотя сегодня для разных фаз вещества могут использоваться и другие методы. Каждый элемент, излучение которого испытывает дифракцию на призмоподобном инструменте, демонстрирует либо спектр поглощения, либо спектр испускания в зависимости от того, охлаждается элемент или нагревается.
Исторически, большая часть спектроскопии занимается изучением линейчатых спектров, то есть состоящих из отдельных спектральных линий. Однако последние достижения в спектроскопии иногда позволяют обойтись без метода дисперсии. Колебательная спектроскопия — это раздел спектроскопии, изучающий спектры, вызванные колебаниями молекул. В биохимической спектроскопии информацию о биологических тканях можно получить с помощью методов поглощения и рассеяния света. Спектроскопия светорассеяния — это тип отражательной спектроскопии, который определяет структуру тканей путём изучения упругого рассеяния. В таком случае именно ткань действует как механизм дифракции или дисперсии.
Спектроскопические исследования сыграли центральную роль в развитии квантовой механики. Первые применимые квантовые модели атома, включая модель Бора, уравнение Шрёдингера и матричную механику, воспроизвели спектральные линии водорода. Они приравняли дискретные квантовые скачки связанного электрона в атоме водорода к дискретному спектру водорода. Объяснение излучения абсолютно чёрного тела Максом Планком включало спектроскопию, поскольку он сравнивал длину волны света с помощью фотометра с температурой абсолютно чёрного тела. Спектроскопия используется в физической и аналитической химии, поскольку атомы и молекулы имеют уникальные спектры. В результате эти спектры можно использовать для обнаружения, идентификации и количественной оценки информации об атомах и молекулах.
Спектроскопия используется в астрономии и дистанционном зондировании Земли. Большинство исследовательских телескопов оснащены спектрографами. Измеренные спектры используются для определения химического состава и физических свойств астрономических объектов, таких как их температура, содержание элементов, скорость, вращение, магнитное поле и многое другое. Важное применение спектроскопия находит в биохимии. Молекулярные образцы могут быть проанализированы для идентификации видов и определения содержания энергии.
Применения
Существует несколько применений спектроскопии в области медицины, физики, химии и астрономии. Используя свойства поглощения и, в случае с астрономией, излучения, спектроскопия может быть использована для выявления определённых состояний природы. Использование спектроскопии в столь многих различных научных областях и для столь многих различных применений привело к созданию специализированных подобластей. К таким примерам относятся: Определение атомной структуры образца; Изучение спектральных линий излучения Солнца и далёких галактик ; Исследование космоса; Мониторинг отверждения композитов с использованием оптических волокон; Оценка времени выдержки выветренной древесины с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области; Измерение различных соединений в образцах пищевых продуктов с помощью абсорбционной спектроскопии как в видимом, так и в инфракрасном спектре; Измерение токсичных соединений в образцах крови; Неразрушающий элементный анализ с помощью рентгеновской флуоресценции; Исследование электронной структуры с помощью различных спектроскопов; Красное смещение для определения скорости и направления движения далёкого объекта; Определение метаболической структуры мышцы; Мониторинг содержания растворённого кислорода в пресноводных и морских экосистемах; Изменение структуры лекарств для повышения их эффективности; Характеризация белков; Анализ дыхательных газов в больницах; Определение физических свойств далёкой звезды или близлежащей экзопланеты с использованием релятивистского эффекта Доплера; Определение пола in-ovo: спектроскопия позволяет определить пол яйца во время его инкубации. Разработано французскими и немецкими компаниями; обе страны решили запретить выбраковку цыплят, в основном осуществляемую через мацератор, в 2022 году; Мониторинг процессов в управлении промышленными процессами
Теория Основа спектроскопии заключается в том, что свет состоит из волн разной длины, и каждая длина волны соответствует определённой частоте. Важность спектроскопии сосредоточена вокруг того факта, что каждый элемент в периодической таблице имеет уникальный световой спектр, описываемый частотами света, который он испускает или поглощает, последовательно появляющимися в одной и той же части электромагнитного спектра, когда этот свет испытывает дифракцию. Это открыло целую область исследований всего, что содержит атомы. Таким образом, спектроскопия открыла множество новых, ранее неизведанных областей науки. Идея о том, что каждый атомный элемент имеет свою уникальную спектральную сигнатуру, позволила использовать спектроскопию в широком спектре областей, каждая из которых имеет конкретную цель, достигаемую с помощью различных спектроскопических процедур. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) поддерживает публичную базу данных атомных спектров, которая постоянно пополняется точными измерениями.
При использовании абсорбционного спектрофотометра уровень поглощения источника света определяется законом Бугера — Ламберта — Бера:
где — интенсивность света до прохождения через образец, — интенсивность на выходе, — коэффициент экстинкции, — длина пути через образец, и — концентрация образца. Коэффициент экстинкции зависит от выбранной длины волны и исследуемой молекулы.
Резонансы по частоте впервые были охарактеризованы в механических системах, таких как маятники, частоту движения которых описал Галилей. В квантово-механических системах аналогичным резонансом является связь двух стационарных состояний системы, таких как две атомные орбитали, посредством осциллирующего источника энергии, такого как фотон. Связь двух состояний наиболее сильна, когда энергия источника совпадает с разностью энергий между этими двумя состояниями. То есть фотон с правильной энергией с большей вероятностью вызовет переход электрона между двумя орбиталями — процесс, называемый возбуждением электрона. Энергия фотона связана с его частотой уравнением , где — постоянная Планка, и поэтому спектр отклика системы в зависимости от частоты фотонов будет иметь пик на резонансной частоте или энергии.
Для анализа образца может использоваться любая часть электромагнитного спектра — от инфракрасной до ультрафиолетовой, что сообщает учёным о различных свойствах одного и того же образца. Это открытие привело к расширению области спектроскопии. Например, в химическом анализе к наиболее распространённым типам спектроскопии относятся атомная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, ультрафиолетовая и оптическая спектроскопия, рамановская спектроскопия и ядерный магнитный резонанс.
Классификация методов
Спектроскопия — достаточно широкая область, в которой существует множество поддисциплин, каждая из которых имеет многочисленные реализации конкретных спектроскопических методов. Различные реализации и методы можно классифицировать различными способами.
Тип энергии излучения