Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #0 Przedmowa i wstęp do Spektroskopii

źródło

W czasie II wojny światowej niektóre niemieckie czołgi Panzer V Panther wyposażono w celowniki podczerwieni, co umożliwiło im walkę w nocy. Technologia ta była wprowadzona w zbyt małej ilości aby istotnie odmienić losy wojny. Działało to w ten sposób, że reflektor emitował fale z zakresu światła podczerwonego, odbijały się one od obiektów, a następnie fotony które trafiły do celowników przetwarzane były na obraz możliwy do odczytania przez człowieka. Przykład takiego oprzyrządowania można zauważyć na czołgu ze zdjęcia. Reflektor znajduje się powyżej włazu.

Były to prototypy współczesnych noktowizorów powszechnie używanych dziś na polach bitew czy podczas poszukiwania rannych. Jak jednak te noktowizory działały? Od czego zależy rodzaj stosowane spektroskopii? Jakie zasady rządzą tą gałęzią nauki? Na te pytania postaram się odpowiedzieć w myślę, przynajmniej kilkunastu, jeśli nie kilkudziesięciu postowej serii. Zdaję sobie sprawę, że temat ten nie znajdzie z racji na wysoką specjalizację wielu fanów, jednak chcę stworzyć swoisty "eTrapez" dla studentów chemii którzy mają problem z zrozumieniem tego czym jest spektroskopia. Oczywiście będzie to jedynie liźnięcie tematu celem osiągnięcia wiedzy wymaganej na egzaminach, a nie dogłębne wejście w temat. Na to może przyjdzie czas później

Spektroskopia zajmuje się oddziaływaniami fal promieniowania z materią czyli atomami, elektronami, cząsteczkami. Polega na interpretowaniu widm oraz określania w jakie sposoby powstają. Jest powszechnie wykorzystywana w analizie chemicznej z uwagi na mnogość rodzajów i łatwość stosowania, zwłaszcza w przypadku roztworów. Jest techniką względnie tanią i dającą małe niepewności stąd spektroskopy można znaleźć w większości laboratoriów chemicznych.

Wyróżniamy 3 zasadnicze kryteria podziału spektroskopii:

• Według zakresy promieniowania
• Według badanego układu )
• Według sposobu otrzymywania widma

Teraz omówię w krótki sposób do czego odnoszą się poszczególne kryteria, natomiast rozwiniemy je w kolejnych postach.

Zakres promieniowania: Odnosi się do długości fali od ułamków Angstremów [10^(-10)m] aż do długich, nawet kilkukilometrowych fal.

Rodzaje według rosnącej długości fali:

Krótkie:

• Spektroskopia Kosmiczna : 10^(-5) - 10^(-3) A
• Spektroskopia Gamma 10^(- 3) - 1 A
• Spektroskopia Rentgenowska 1 - 10^2 A

Spektroskopia ta cechuje się bardzo dużymi energiami fal i prowadzi do dużych zmian w materii badanej takich jak zmiana konfiguracji, zmiana rozkładu elektronów.

Średnie:

• Spektroskopia optyczna od bliskiego i próżniowego nadfioletu (10 nm - 400nm, najczęściej zakres 315 - 400nm) przy czym nadfiolet próżniowy można badać tylko w próżni toteż stosowany w praktyce laboratoryjnej jest raczej rzadko z uwagi na trudne warunki konieczne do spełnienia.

• Spektroskopia optyczna światła widzialnego. Wykorzystuje długości od 360 do 830 nm. Bardzo popularny i tani rodzaj spektroskopii. Badać możemy jednak tylko substancje barwne. W zakresie światła widzialnego. Zakresy poszczególnych barw na ilustracji pod spodem.

• Spektroskopia podczerwieni od 12000 do 50 cm^(-1) - Uwaga tutaj zamiast długości fali podawana jest liczba falowa!

Długie:

• Radiospektroskopia w zakresie mikrofal (0,03 - 100 cm) fal krótkich (10 - 100 m) i fal długich (100 - 4000 m)

Żródło

Oddziaływanie z materią: Spektroskopia jądrowa, atomowa i molekularna która obejmuje też spektroskopię związków organicznych, kompleksowych

Typu widma: Absorpcyjne, Emisyjne, Ramanowskie - Odnoszą się do tego jaki skutek widoczny dla obserwatora powoduje działanie fali na substancję. Np. Emisję lub pochłonięcie fotonu.

Najpopularniejsze metody badań za pomocą spektroskopii:

• Spektroskopia UV -Vis (widmo elektronowe)
• Luminescencja (fluoro i fosforoscencja)
• Podczerwieni (oscylacyjno (głównie) rotacyjna)
• Ramana (komplementarna z S. podczerwieni, wykorzystuje to samo widmo)
• Rentgenowa Spektrometria Fotoleletronów (XPS, wykorzystuje promieniowanie X)
• NMR - Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (najczęściej bada się jądra wodoru)
• EPR - Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (w odróżnieniu od NMR bada spiny elektronów a nie spiny jąder )
• Spektroskopia mas (bada stosunek masy jonu do ładunku)
• Lasery (np. przepuszczanie laseru przez zawiesinę celem zbadania stopnia rozdrobnienia, wykorzystywana też w polimerach do pomiaru średniej masy)

Na ten moment to tyle, w następnym odcinku opowiemy sobie o Świetle.

Źródła:
http://wch.uni.opole.pl/wp-content/uploads/2016/03/SMA_Wyklad.pdf
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_magnetycznego_rezonansu_j%C4%85drowego
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_EPR
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_w_podczerwieni
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_fotoelektron%C3%B3w_w_zakresie_promieniowania_X
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektrometria_mas
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_%C5%9Bwietlna
Podstawy spektroskopii molekularnej Z. Kęcki PWN Wydanie 3