» » » » » » » Spectrul de absorbție (Spectroscopia de absorbție)

Spectrul de absorbție (Spectroscopia de absorbție)

postat în: Lumina 0

Spectrul solar cu linii Fraunhofer (Spectrul solar cu linii Fraunhofer așa cum apare vizual.)

Spectrul de absorbție al unui material este fracțiunea de radiație incidentă absorbită de material într-o gamă de frecvențe. Spectrul de absorbție este determinat în primul rând de compoziția atomică și moleculară a materialului. Radiația este mai probabil să fie absorbită la frecvențe care se potrivesc cu diferența de energie dintre două stări mecanice cuantice ale moleculelor. Absorbția care apare ca urmare a unei tranziții între două stări este menționată ca o linie de absorbție și un spectru este de obicei compus din mai multe linii.

Frecvențele în care se produc liniile de absorbție, precum și intensitățile lor relative, depind în principal de structura electronică și moleculară a eșantionului. Frecvențele vor depinde, de asemenea, de interacțiunile dintre moleculele din eșantion, de structura cristalului din solide și de mai mulți factori de mediu (de exemplu temperatura, presiunea, câmpul electromagnetic). Liniile vor avea de asemenea o lățime și o formă care sunt în primul rând determinate de densitatea spectrală sau densitatea stărilor sistemului.

Teorie

Liniile de absorbție sunt de obicei clasificate prin natura schimbării mecanice cuantice indusă în moleculă sau atom. Liniile rotaționale, de exemplu, apar când starea de rotație a unei molecule este schimbată. Liniile rotaționale se găsesc de obicei în regiunea spectrală cu microunde. Liniile vibraționale corespund schimbărilor în starea vibrațională a moleculei și se găsesc de obicei în regiunea infraroșie. Liniile electronice corespund unei schimbări în starea electronică a unui atom sau a unei molecule și se găsesc de obicei în regiunea vizibilă și ultravioletă. Absorbțiile cu raze X sunt asociate cu excitarea electronilor din interiorul cochiliei în atomi. Aceste schimbări pot fi, de asemenea, combinate (de exemplu tranziții de vibraționale-rotaționale), conducând la noi linii de absorbție la energia combinată a celor două schimbări.

Energia asociată schimbării mecanice cuantice determină în principal frecvența liniei de absorbție, dar frecvența poate fi schimbată prin mai multe tipuri de interacțiuni. Câmpurile electrice și magnetice pot provoca o schimbare. Interacțiunile cu moleculele vecine pot provoca schimbări. De exemplu, liniile de absorbție ale moleculei de fază gazoasă se pot schimba semnificativ atunci când molecula este într-o fază lichidă sau solidă și interacționează mai puternic cu moleculele învecinate.

Lățimea și forma liniilor de absorbție sunt determinate de instrumentul utilizat pentru observare, de materialul care absoarbe radiația și de mediul fizic al materialului respectiv. Este comun ca liniile să aibă forma unei distribuții gaussiene sau lorentziene. Este, de asemenea, obișnuit ca o linie să fie descrisă numai prin intensitatea și lățimea sa, în loc de caracterizarea întregii forme.

Intensitatea integrată – obținută prin integrarea zonei sub linia de absorbție – este proporțional cu cantitatea de substanță absorbantă prezentă. Intensitatea este, de asemenea, legată de temperatura substanței și de interacțiunea mecanică cuantică între radiație și absorbant. Această interacțiune este cuantificată de momentul de tranziție și depinde de starea inferioară particulară de la care începe tranziția și de starea superioară la care este conectată.

Lățimea liniilor de absorbție poate fi determinată de spectrometrul utilizat pentru înregistrarea acestuia. Un spectrometru are o limită inerentă pentru cât de îngustă poate fi o linie pentru rezoluție și astfel lățimea observată poate fi la această limită. Dacă lățimea este mai mare decât limita de rezoluție, atunci este determinată în primul rând de mediul absorberului. Un absorbant lichid sau solid, în care moleculele vecine interacționează puternic unul cu celălalt, tinde să aibă linii de absorbție mai largi decât un gaz. Creșterea temperaturii sau a presiunii materialului absorbant va avea tendința de a crește lățimea liniei. Este, de asemenea, obișnuit ca mai multe tranziții învecinate să fie destul de apropiate una de cealaltă încât liniile lor se suprapun și linia globală rezultată este, prin urmare, mai largă.

Absorbția radiației electromagnetice
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Spectroscopy_overview.svg 

(O imagine de ansamblu a absorbției radiației electromagnetice Acest exemplu descrie principiul general care folosește lumina vizibilă ca exemplu specific: O sursă de fascicol alb care emite lumină cu mai multe lungimi de undă este focalizată pe o probă (perechile de culori complementare sunt indicate de liniile galbene punctate). Atunci fotonii care se potrivesc cu decalajul energetic al moleculelor prezente (lumina verde in acest exemplu) sunt absorbite pentru a excita molecula. Alți fotoni transmit fără să fie afectați și, dacă radiația este în regiunea vizibilă (400- 700nm), culoarea eșantionului este culoarea complementară a luminii absorbite. Prin compararea atenuării luminii transmise cu incidentul, se poate obține un spectru de absorbție. )

Relația cu spectrul de transmisie

Spectrele de absorbție și transmisie reprezintă informații echivalente și se pot calcula una din cealaltă printr-o transformare matematică. Un spectru de transmisie va avea intensitățile maxime la lungimi de undă unde absorbția este mai slabă deoarece se transmite mai multă lumină prin eșantion. Un spectru de absorbție va avea intensitățile maxime la lungimi de undă unde absorbția este mai puternică.

Relația cu spectrul de emisie

Emisia este un proces prin care o substanță eliberează energie sub forma unei radiații electromagnetice. Emisiile pot să apară la orice frecvență la care poate să apară absorbția și acest lucru permite ca liniile de absorbție să fie determinate dintr-un spectru de emisie. Spectrul de emisie va avea, de obicei, un model de intensitate diferit față de spectrul de absorbție, totuși, cele două nu sunt echivalente. Spectrul de absorbție poate fi calculat din spectrul de emisie utilizând modele teoretice adecvate și informații suplimentare despre stările mecanice cuantice ale substanței.

Relația cu spectrul de dispersie și reflecție

Spectrele de dispersie și reflexie ale unui material sunt influențate atât de indicele de refracție, cât și de spectrul său de absorbție. Într-un context optic, spectrul de absorbție este cuantificat în mod obișnuit prin coeficientul de extincție, iar coeficienții de extincție și index sunt legați cantitativ prin relația Kramers-Kronig. Prin urmare, spectrul de absorbție poate fi derivat dintr-un spectru de dispersie sau reflecție. Acest lucru necesită în mod obișnuit ipoteze sau modele simplificatoare, astfel încât spectrul de absorbție derivat este o aproximare.

Spectroscopia de absorbție

Sodiul filtrează lumina stelei HD 209458 în timp ce planeta Jupiter trece prin față (Prima detectare directă și analiza chimică a atmosferei unei planete din afara sistemului nostru solar în 2001. Sodiul filtrează lumina stelei HD 209458 în timp ce planeta Jupiter trece prin față.)

Spectroscopia de absorbție se referă la tehnicile spectroscopice care măsoară absorbția radiației, în funcție de frecvență sau lungime de undă, datorită interacțiunii cu o probă. Eșantionul absoarbe energia, adică fotoni, din câmpul radiant. Intensitatea absorbției variază în funcție de frecvență, iar această variație este spectrul de absorbție. Spectroscopia de absorbție se realizează pe spectrul electromagnetic.

Spectroscopia de absorbție este utilizată ca instrument de analiză chimică pentru a determina prezența unei substanțe particulare într-o probă și, în multe cazuri, pentru a cuantifica cantitatea de substanță prezentă. Spectroscopia cu spectru vizibil în infraroșu și ultraviolete este deosebit de comună în aplicațiile analitice. Spectroscopia de absorbție este folosită și în studiile de fizică moleculară și atomică, spectroscopie astronomică și teledetecție.

Există o gamă largă de abordări experimentale pentru măsurarea spectrelor de absorbție. Cel mai comun aranjament este de a direcționa un fascicul generat de radiație la o probă și de a detecta intensitatea radiației care trece prin el. Energia transmisă poate fi utilizată pentru a calcula absorbția. Sursa, aranjarea eșantionului și tehnica de detectare variază semnificativ în funcție de domeniul de frecvență și de scopul experimentului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *