Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Спектри поглинання різних речовин можуть надати нам інформацію про їх хімічний склад, молекулярну структуру та атомну будову. Область спектроскопії займається їх отриманням та аналізом. Отримані таким чином знання можна використовувати для розробки та одержання нових матеріалів з цікавими властивостями, що дозволило нам створити сучасні літаки, каталізатори вихлопних газів, фотогальванічні елементи або літій-іонні батареї.
Спектроскопія
Вивчення атомних спектрів корисне у матеріалознавстві - спектроскопічний аналіз також є основним у роботі реставраторів творів мистецтва. Це, в тому числі, дозволяє зрозуміти, чому працює мікрохвильова піч.
Мал. 1. Ми можемо використовувати абсорбційну спектроскопію для безпечного вивчення мистецьких творів. Джерело фото: http://monalisa.org/
Слово спектр походить від латинського слова spectrum, що означає появу, вид або образ, а також дух або фантом. "Спектроскопія" , з іншого боку, - це метод отримання та вивчення спектрів, тобто залежності фізичних величин від довжини хвилі, частоти або енергії світла. Тому термін «абсорбційна спектроскопія» використовуватиметься для опису методів дослідження, метою яких є отримання спектра поглинання речовини.
Зверніть увагу, що коли ми пишемо про спектроскопічні методи, ми використовуємо множину - не існує єдиного методу, що називається «абсорбційна спектроскопія». Залежно від використовуваної довжини хвилі світла можна говорити про різні різновиди абсорбційної спектроскопії (і різні спектри поглинання).Приклади (не всі!) цього сімейства представлені в таблиці 1.
| Тип використовуваного випромінювання | Назва методу |
| Рентгенівське | Рентгенівська абсорбційна спектроскопія |
| Ультрафіолетове та видиме | Ультрафіолетова - видима спектроскопія (UV-VIS-спектроскопія) |
| Інфрачервоне | Інфрачервона абсорбційна спектроскопія |
| Мікрохвильове | Мікрохвильова абсорбційна спектроскопія |
| Радіохвильове | Спектроскопія ядерного магнітного резонансу. Спектроскопія електронного парамагнітного резонансу. |
Перш ніж рухатися далі, давайте пригадаємо, що таке спектр поглинання - його одержують, висвітлюючи речовину певним випромінюванням та досліджуючи випромінювання, яке проходить через речовину.Іншими словами, якщо ми спостерігаємо відсутність певних довжин хвиль у спектрі поглинання в порівнянні з падаючим випромінюванням, це означає, що ці довжини хвиль були поглинені матеріалом.
Схема методу поглинання показано на рис. 2, а приклад спектру поглинання – на рис. 3. Це спектр поглинання сонячного випромінювання, отриманий коли сонячне випромінювання, вироблене глибоко всередині зірки, проходить через шари газу. Видимі чорні лінії вказують на те, що частина випромінювання була поглинена.
Мал. 2. Схема типового методу абсорбції (поглинання)
Мал. 3. Спектр поглинання сонячного проміння. Джерело малюнка: https://ua.wikipedia.org/wiki/Абсорбційна_спектроскопія
Різні види абсорбційної спектроскопії є потужними інструментами вивчення різноманітних властивостей матеріалів. У таблиці 2 наведено приклади інформації, яку можна отримати, вивчаючи спектри поглинання в різних спектральних діапазонах.
| Тип використовуваного випромінювання | Застосування |
| Рентгенівське | Вивчення розташування атомів один щодо одного на дуже малих відстанях, вивчення хімічного складу зразка та ступеня окислення елементів |
| Ультрафіолетове | Тестування хімічного складу зразка, тестування концентрації розчинів |
| Видимо | Вивчення хімічного складу зірок та міжзоряних хмар, вивчення електронної структури твердих тіл, вивчення хімічного складу зразка, вивчення концентрації розчинів |
| Інфрачервоне | Вивчення хімічного складу газів, вивчення типів зв'язку між атомами для органічних сполук: визначення типів функціональних груп, що приєднуються до вуглецевого ланцюга |
| Мікрохвильове | Визначення довжин і кутів зв'язків між атомами |
| Радіохвильове | Вивчення розташування атомів один відносно одного на дуже малих відстанях, вивчення ступеня окислення елементів у зразку |
Застосування
У таблиці 2 ми представили типові наукові застосування абсорбційної спектроскопії. Але давайте спробуємо відповісти на запитання – чим можуть бути корисні для нас досліджені властивості? Яку користь ми можемо отримати від знання взаємного розташування атомів у матеріалі чи типів хімічних зв'язків? Іншими словами, чому ці методи такі важливі?
Відповідь дуже загальна - знання перерахованих аспектів дозволяє нам, зокрема, пов'язувати різні властивості матеріалів з їхньою атомною структурою. Знаючи, як пов'язані властивості та структура матеріалу, ми можемо спробувати змінити цю структуру і таким чином покращити властивості матеріалів.В результаті ми тепер можемо виробляти дуже міцні та дуже легкі композитні матеріали, які використовуються, наприклад, при будівництві літаків, все більш досконалі електричні провідники, каталітичні нейтралізатори для розкладання вихлопних газів автомобілів, літій-іонні батареї, фотогальванічні елементи або датчики вихлопних газів та інших токсичних газів.
Вивча властивості різних матеріалів за допомогою методів абсорбційної спектроскопії, ми можемо розробляти нові матеріали з покращеними властивостями. Наприклад, літак Boeing 787-8, легший за попередників у своєму класі завдяки використанню в його конструкції сучасних композитних матеріалів.
Однак застосування абсорбційної спектроскопії не обмежується матеріалознавством. Візьмемо приклад із зовсім іншої галузі – мистецтва! Під час вивчення різних творів живопису істориків цікавлять відповіді такі питання: чи є картина, що ми бачимо сьогодні, тієї, яку художник написав спочатку? Якою була техніка малювання? І, нарешті, не менш важливе питання – чи є ця картина оригіналом чи дуже добре створеною копією? Методи абсорбційної спектроскопії можуть дати відповіді на ці питання!
В історії мистецтва часто траплялося так, що художник, наприклад, отримував замовлення від свого покровителя написати перший варіант тієї чи іншої картини. Якщо меценат не задоволений результатом, художник зафарбовував або перемальовував частини картини. Буває також, що пігменти, які використовуються у фарбах, не витримали випробування часом і в результаті хімічних реакцій змінили свій колір – так, наприклад, темно-зелена фарба може стати коричневою. Зрештою, трапляється, що робота оригінального художника згодом «виправляється» іншими. Такі зміни торкнулися, наприклад, знаменитої «Дами з горностаєм» Леонардо да Вінчі, де фон за фігурою був зафарбований чорним, а сама пані та горностай відретушовані. Поточну версію зображення показано на малюнку 4.
Мал. 4. Жінка з горностаєм. Автор картини: Леонардо да Вінчі. Леонардо да Вінчі, громадське надбання, через Wikimedia Commons
На рис. 5 представлений фрагмент горностая, побачений в інфрачервоному випромінюванні. Темні ділянки сильно поглинають це випромінювання, світлі – слабо.
Більше високе поглинання в будь-якій області може означати, що під видимим шаром може бути більш рання версія зображення - у цьому випадку темніша лінія навколо морди тварини вказує на те, що в початковій версії зображення вона була трохи більшою.
Рис.5. Частина горностая в інфрачервоному діапазоні. Джерело
З іншого боку, на рис. 6 показано використання поглинання ультрафіолетового випромінювання. Зображення поглинає ультрафіолетове випромінювання та випромінює у видимому світлі. Склад цього світла залежить від типу використовуваного пігменту та його елементного складу. У червоній фарбі, якою вінчі пофарбував рукав сукні портретованої Чечілії Галлерані, присутні, зокрема, свинець, ртуть, залізо і кальцій. Зверніть увагу, як змінюється пропорція кожного елемента у світліших і темніших областях рукава.
Мал. 6. Фрагмент рукава сукні з елементарним аналізом використаної фарби. Джерело
Вивчення хімічного складу пігментів також дозволяє відповісти на питання, яким був їхній початковий колір - чи не змінився колір, який ми бачимо сьогодні, під впливом, наприклад, погодних умов. Зрештою, це дозволяє визначити, чи мала місце підробка. Якщо при дослідженні картини виявляється присутність барвників за складом схожих з тими, які використовуються сьогодні, а не під час створення картини, ми можемо бути впевнені, що дана картина не є оригіналом.
Давайте тепер змінимо тему на іншу - від матеріалознавства та мистецтва перейдемо до вивчення води. Ми спробуємо пояснити деякі його властивості, ґрунтуючись на спектрах поглинання для різних діапазонів випромінювання.
Ми знаємо, що вода прозора у видимому світлі, але має легкий блакитний відтінок. Чому? Подивіться на рис. 7. На ньому показано залежність коефіцієнта поглинання води (вертикальна вісь) від довжини хвилі падаючого випромінювання (горизонтальна вісь).Вертикальна вісь показана в логарифмічному масштабі.
З графіка можна зробити два важливі висновки: по-перше, коефіцієнт поглинання не є постійною величиною, а залежить від довжини хвилі (або частоти) падаючого світла! По-друге, ми бачимо, що довжини хвиль, що створюють враження фіолетового та синього кольорів, поглинаються більш ніж у 100 разів менше, ніж ті, що асоціюються з червоним кольором! Це надає воді «блакитуватий» відтінок.
Мал. 7. Залежність коефіцієнта поглинання залежно від довжини хвилі випромінювання. Джерело
Давайте тепер проаналізуємо інший спектр, цього разу в області мікрохвильового випромінювання. Вона представлена на рис. 8. Пунктирними лініями малюнку показано залежність про діелектричних втрат як функція частоти випромінювання і температури. Діелектричні втрати пов'язані з поглинанням - що вище діелектричні втрати, то вище поглинання випромінювання.
Тому криві, показані на рис. 8. можна назвати спектрами поглинання, просто представленими з допомогою інших фізичних величин. "Діелектричні втрати" означають, що енергія падаючого випромінювання буде поглинена матеріалом. Ми знаємо, що поглинена енергія спрямовано збільшення інтенсивності коливань молекул води. Макроскопічно це означає, що вода підвищує свою температуру при освітленні мікрохвильами.
Мал. 8. Діелектричні втрати води залежно від температури та частоти випромінювання. Джерело: Андрій Андрієвський, Світлана М. Кузнєцова, Сергій В. Жуковський, Юрій С. Ківшар, Андрій В. Лавріненко “Water: Promising Opportunities For Tunable All-dielectric Electromagnetic Metamaterials” 5:13535, DO035
Чи можете ви придумати якесь застосування цього явища? Це, звичайно, мікрохвильова піч. Типовий пристрій такого типу виробляє мікрохвилі із частотою 2,45 ГГц (що відповідає довжині хвилі близько 0,12 м).З рис. 8 видно, що діелектричні втрати на цій частоті відмінні від нуля - тому вода, присутня в їжі, поглинає мікрохвильове випромінювання і підвищує свою температуру, що призводить до нагрівання всієї їжі.
Аналізуючи рис. 9, можна також поставити питання - чому ми не використовуємо в мікрохвильових печах частоти, де діелектричні втрати ще вищі - наприклад, близько 10 ГГц? Адже тоді поглинання випромінювання відбувалося б ще ефективніше і їжа нагрівалася б швидше! Відповідь пов'язана з іншою властивістю випромінювання - чим вищий коефіцієнт поглинання (або діелектричні втрати), тим менше випромінювання проникає в матеріал.
Високі діелектричні втрати означають, що більшість випромінювання поглинається дуже близько до поверхні. Тому, якби мікрохвильові печі виробляли мікрохвилі вищої частоти, то їжа, що нагрівається, була б дуже гарячою в тонкому шарі біля поверхні і ставала б холодною в глибині. При нижчих частотах мікрохвиль поглинена енергія рівномірно розподіляється по їжі.
Зрештою, проаналізуємо залежність коефіцієнта поглинання води для широкого діапазону частот. На малюнку 9 показаний діапазон видимого світла, який ми обговорювали раніше. Аналізуючи спектр у широкому діапазоні, можна побачити, що поглинання води у видимому діапазоні дуже слабке - вода набагато краще поглинає хвилі з інфрачервоного та мікрохвильового діапазону (що викликає її нагрівання) та з ультрафіолетового діапазону.
Мал. 9. Коефіцієнт поглинання води, залежно від довжини хвилі випромінювання. Джерело
Для порівняння - поглинання в ультрафіолеті приблизно в мільярд разів сильніше, ніж у видимій області! Сильне поглинання в цій галузі вже пов'язане з фотоіонізацією води - випромінювання поглинається молекулами води та викликає вибивання з них електронів.
Своєю присутністю на Землі ми зобов'язані тому факту, що вода лише слабко поглинає випромінювання видимого діапазону. Якби вода сильно поглинала це видиме випромінювання, всі водоймища були б темними і каламутними. Це запобігло б розвитку водних рослин, а потім і водних тварин.
Список використаної літератури
- Ельяшевич М. А. Спектри оптичні // Фізична енциклопедія / Гол. ред. А. М. Прохоров. - М.: Велика Російська енциклопедія, 1994. - Т. 4. Пойнтінг-Робертсон ефект - Стримери. – С. 628-629. – 704 с. - 40 000 екз. - ISBN 5-85270-087-8.
- Фізика. 11 клас: навч. для загальноосвіт. установ: базовий та профіл. рівні / Г. Я. Мякішев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругін; за ред. В. І. Ніколаєва, Н. А. Парфентьєвої. - 19-те вид. - М.: Просвітництво, 2010. - 399 с.
- Малишев, В. І. Введення в експериментальну спектроскопію. - М.: Наука, 1979. - 479 с.
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, eds. (2006). Handbook of Vibrational Spectroscopy. New York: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.