A spektroszkópia vagy tömegspektrometria , a kísérleti tanulmány a spektrum egy fizikai jelenség, vagyis annak lebomlása egy energia skálán, vagy bármely más méretű hozza az energia ( frekvencia , hossza hullám , stb ).
Történelmileg, ezt a kifejezést alkalmazzuk, hogy a bomlási, például egy prizma , a kibocsátott látható fényt ( emissziós spektrometria ) vagy abszorbeált ( abszorpciós spektrometriával ) által a tárgy kell tanulmányozni. Ma ez az elv szakosodott kísérleti technikák sokaságára bomlik, amelyek a fizika szinte minden területén alkalmazhatók: csillagászat , biofizika , kémia , atomfizika , plazmafizika , magfizika , szilárdtestfizika , mechanika , akusztika stb. . Spektroszkópiával nemcsak a látható fényt elemezzük, hanem az elektromágneses sugárzást is minden frekvenciatartományban, rugalmas hullámokat , például hang- vagy szeizmikus hullámokat , vagy részecskéket (a "spektroszkópia" kifejezés használata azonban nem megfelelő, mert az energiát nem mérjük szigorúan beszélve, inkább a részecskék tömege).
Általában a spektrum megszerzését lehetővé tevő mérőműszert spektrométernek vagy spektroszkópnak nevezik . A "-scopie" utótag vizuális megfigyelésre utal, például fényképes filmre nyomtatás , vetítés a képernyőn vagy egy megfigyelő távcső használata. A "-metry" utótag arra utal, hogy a készülék eszközzel rögzíti a jelet ( plotter , elektronikus felvétel stb. ).
A XIV . Századtól Freiberg Theodoric tudós (1311) leírta a fény szétszórását egy vastag dioptria (jelen esetben piszoárok ) segítségével, és ennek alapján próbálta megmagyarázni a szivárvány jelenségét . A La Magie naturelle (1558) della Porta sikerével az üvegdioptriák érdekességekké váltak, amelyeket vásárokon lehetett megvásárolni. Így 1672-ben Newton azt írta egyik tudósítójának: "Legfrissebb ígéretem betartása érdekében minden további nélkül közlöm veled, hogy 1666 elején egy üvegprizmát szereztem. Háromszög alakú, hogy megtapasztaljam a a színek híres jelensége […] Kellemes volt számomra az így előállított élénk és intenzív színeket szemlélni ” . Newton szisztematikusan tanulmányozta ezt a jelenséget, és Opticks című értekezésében publikálta a fényszórás eredményeit . Először jelezte, hogyan lehet a fehér fényt prizmával monokróm komponensekre bontani ; akkor bebizonyította, hogy nem a prizma bocsátja ki vagy állítja elő a színeket, hanem hogy ez a dioptria csak a fehér fény alkotóelemeit választja el egymástól.
Bár a Descartes és Newton által megfogalmazott korpuszkuláris fényelméletet Huygens és Fresnel hullámelmélete fokozatosan kiszorította, a fénysugarak kvantitatív mérésére csak a XIX . Században volt általános érvényű és elfogadott protokoll. Mint híveinek sokáig, Newton fehér fényforrásként néha egy gyertya lángját , néha a Nap vagy a csillagok fényét használta . A prizmákkal végzett új kísérletek azt az első nyomot szolgáltatták, hogy a spektrumok jellemzőek a kémiai alkotóelemekre: a különféle sók alkoholos oldatban történő elégetésével a tudósok megállapították, hogy a láng fénye, amely egyszer a prizmában bomlott el, különböző színű egymásutánokat adott. Ezek a megfigyelések még mindig kvalitatívak voltak, és a vonalakat színnevekkel, nem pedig számokkal írták le.
Fraunhofer bajor optikus látványos ugrást tett előre a tudományágban azzal, hogy a prizmát diffrakciós rácsra cserélte, mint a hullámhosszak diszpergálásának eszközét . Fraunhofer megvetette az elméletek a fény interferencia által végzett Thomas Young , François Arago és Augustin Fresnel . Saját kísérleteket végzett a diffrakció hatásának vizsgálatára egyetlen téglalap alakú rés, majd két rés stb. amíg több ezer egyenlő távolságú, de nagyon közeli résen áttört diafragma keletkezik; így képezte az első diffrakciós rácsot . Azonban nemcsak a diffrakciós rács által előidézett interferenciák javítják nagyban a spektrális felbontást a prizmához képest, hanem lehetővé teszik a felbontott fény különböző hullámhosszainak mérését. A Fraunhofer által így megállapított abszolút hullámhossz-skála utat nyitott az európai nagy laboratóriumok által kapott spektrumok összehasonlításához, függetlenül a fényforrástól (láng és nap) és a műszerektől. Fraunhofer szisztematikus megfigyeléseket tett és tett közzé a napspektrumról, és az általa észrevett sötét vonalakról (1814), amelyek hullámhosszait ő kiszámította, ma Fraunhofer-vonalaknak nevezzük .
Az 1800-as évek során számos tudós javította a spektroszkópia technikáját és megértését.
Az 1820-as években, csillagászok John Herschel és William HF Talbot vállalta szisztematikus spektroszkópiai megfigyelés a különböző ismert kémiai sók elemezve láng színe . 1835-ben Charles Wheatstone rámutatott, hogy a különböző fémek sói könnyen felismerhetőek a szikráik emissziós spektrumának fényvonalaival , ez egy alternatív technika a vegyészek lángpróbájának.
1849-ben Léon Foucault kísérletileg bebizonyította, hogy az azonos színű (azonos hullámhosszú) abszorpciós és emissziós vonalak ugyanabból a kémiai testből származnak, a többi különbség a fényforrás hőmérséklet-különbségéből származik.
1853-ban Anders Jonas Ångström svéd fizikus a Svéd Királyi Tudományos Akadémiának bemutatott Optiska Undersökningar című értekezésében ismertette megfigyeléseit és a gázok spektrumának elméletét . Ångström feltételezte, hogy az izzóvá vált gázok azonos hullámhosszúságú fénysugarakat bocsátanak ki, mint azok, amelyeket el tudnak szívni: nem volt tisztában a korábbi Foucault-kísérletek eredményeivel. Körülbelül ugyanebben az időben George Stokes és William Thomson (Lord Kelvin) hasonló hipotéziseket fontolgattak. Ångström a hidrogén látható emissziós spektrumát is megmérte , amelyet a továbbiakban " Balmer vonalaknak " nevezünk . 1854-ben és 1855-ben David Alter közzétette a fémek és gázok spektrumával kapcsolatos megfigyeléseit, amely a Balmer- hidrogén vonalak személyes leírását tartalmazta .
A különböző kémiai fajok spektrumának szisztematikus katalógusának összeállítása az 1860-as években kezdődött Gustav Kirchhoff német fizikus és Robert Bunsen vegyész kutatásával . Bunsen és Kirchhoff Fraunhofer optikai technikáit alkalmazta, Bunsen javította a láng minőségét és szigorú kísérleti protokollt dolgozott ki a kémiai vegyületek spektrumának részletes tanulmányozására. Ez a két tudós megerősítette a kémiai elemek és jellemző spektrumuk közötti egyedülálló kapcsolatot . Ugyanakkor rögzítették a spektroszkópiai elemzés technikáját. 1860-ban nyolc elem spektrumával kapcsolatban publikálták kutatásaikat, és felismerték ugyanezen elemek jelenlétét a különféle vegyi anyagokban, bizonyítva, hogy spektroszkópiával fel lehet használni az ismert kémiai komponensek szűrését és a még ismeretlen kémiai elemek felismerését. Kirchhoff és Bunsen is létrehozta a kapcsolatot az abszorpciós és az emissziós vonalak között, ami lehetővé tette számukra, hogy bizonyos abszorpciós vonalak jelenlétét a napspektrumban egyes kémiai elemeknek tulajdonítsák. Kirchhoff folytatta az abszorpciós és emissziós spektrumok természetének alapvető kutatásait, amelyek arra késztették, hogy kimondja a mai Kirchhoff sugárzási törvényt . Megtaláljuk azt az alkalmazást, amelyet Kirchhoff készített ebből a törvényből a spektroszkópiában, a spektroszkópia három törvényével :
Angelo Secchi atya , a Római Főiskola obszervatóriumának igazgatója folytatta Kirchhoff által követett utat a csillagok fénysugaruk szerinti felsorolásával . Valóban meg volt győződve arról, hogy a csillagok logikai fokozatban oszlanak el nagy léptékben. Egy spektrográf , Secchi ily módon minősített csillagok négy kategóriába: csillagok az I. típusú, II, III és IV ( spektrális osztály ). Ez a spektrális felosztás fokozott jelentőséget kapott, amikor rájöttek, hogy megfelel a csillagok felületi hőmérsékletének. A spektrális elemzésnek köszönhetően Secchi összeállította az asztronómia történetének első spektrumkatalógusát: munkáját harminc évvel később Williamina Fleming , Antonia Maury és Annie Jump Cannon vette át .
Az 1860-as években William Huggins és felesége, Margaret spektroszkópiával bizonyították, hogy a csillagok ugyanazokból a kémiai elemekből állnak, mint a Föld. 1868-ban alkalmazták a klasszikus Doppler-effektus ( Redshift ) és Sirius spektrumának kapcsolatát , hogy meghatározzák annak eredendő forgási sebességét. Elsőként bontották le egy bolygó köd spektrumát a Macska-szem köddel (NGC 6543). Spektrális technikák segítségével meg tudták különböztetni a ködöket a galaxisoktól .
Johann Balmer 1885-ben fedezte fel, hogy a hidrogén spektrumban látható négy vonal progressziót képez , amelyet spektrális sorozatnak nevezett . A következő ultraibolya spektrális vonalak vizsgálata Rydberg képletéhez vezetett (1888. november).
A fő jelenségek a következők:
Ezek a jelenségek magukban foglalhatják:
Az alábbi táblázat a hullámhossz-tartománytól függően mutatja be a különböző spektroszkópiai technikákat.
Hullámhossz tartomány | Hullámhossz | A spektroszkópia típusa | Hozzászólások |
---|---|---|---|
Rádiófrekvencia | > 100 pm | Nukleáris mágneses rezonancia spektroszkópia | kémiai kötés, molekuláris konformáció, interatomikus távolságok |
Elektronikus paramágneses rezonancia | paramágneses entitások (gyökök, átmeneti fajok stb.) | ||
Ferromágneses rezonancia | ferromágneses anyagok mágnesezése | ||
mikrohullámú sütő | > 30 pm | Rotációs spektroszkópia | kis molekula szerkezet (víz, ózon, hidrogén-klorid gáz stb.) nagy pontossággal |
Infravörös | 1-től körülbelül 20 µm-ig | Infravörös spektroszkópia | egy szerves molekula funkcionális csoportjai, kémiai kötések, a molekula szerkezete |
Infravörös spektroszkópia közelében | |||
Rezgésspektroszkópia | |||
Látható és ultraibolya | 10 2 nm | Ultraibolya-látható spektroszkópia | konjugált szerves vegyületek és átmenetifémek meghatározása |
Spektrofotometria | |||
Raman spektroszkópia | kristály / molekula rezgési módok frekvenciái, spin hullám energia | ||
Fluoreszcencia spektroszkópia | fluoreszkáló molekulák, a molekula lokális környezete (konformáció és kölcsönhatások) | ||
Fluoreszcencia korrelációs spektroszkópia | |||
Brillouin spektroszkópia | egy anyag rugalmas állandói és mágneses jellemzői (mágnesezés, csere stb.) | ||
Röntgen | <100 nm | Röntgenabszorpciós spektrometria ( EXAFS és XANES ) | EXAFS: egy atom helyi környezete, távolság a legközelebbi szomszédoktól
XANES: oxidációs állapot, koordináció XPS: kémiai összetétel egy anyag felületén (oxidációs állapot, elemek mennyiségi meghatározása stb.) |
Röntgen fotoelektron spektrometria (XPS) | |||
Hagyományos és teljes reflexiós röntgen fluoreszcencia spektrometria | a kémiai elemek számszerűsítése | ||
Mikropróba mozgatása | a kémiai elemek mennyiségi meghatározása (1 µm 3 nagyságrendű helyi elemzés ) | ||
Gamma sugarak | 0,01 nm | Gamma-spektrometria | radioaktív elemek |
Mössbauer spektroszkópia | oxidációs állapot, mágneses rend |
A spektrális képalkotás a digitális fényképezés alapján a spektroszkópia egyik ágát képezi . Ez abban áll, leképezés bármely pontján egy sík kép a vizsgált tárgy a teljes spektrumát , vagy bármely más információt az egy frekvencia jellegű (mint például, hogy összegyűjtjük Doppler hatást vagy Zeeman-effektus egy spektrális vonal ). A fő alkalmazási területek a csillagászat ( asztrofizika és planetológia ), a magfúziós kísérletek plazmaelemzése és az űr távérzékelése .
A spektrális képalkotás különféle technikák sokaságára oszlik, az elemzett spektrális tartománytól, a spektrális felbontástól, a spektrális sávok számától, vastagságától vagy összefüggésétől, valamint az alkalmazási területtől függően: így beszélünk multispektrális képalkotásról., Szuperspektrális , teljes spektrális, spektroszkópiai vagy kémiai képalkotás. Ezek a kifejezések azonban ritkán utalnak négy vagy öt sávú kártyákra (tetrachromia, pentachromia), amelyek mindig a látható fény tartományában működnek .
A spektroszkópia a csillagászatban széles körben alkalmazott technika , főleg az UV, az optika és az infravörös. Megkülönböztetünk: