طیف سنجی

طیف سنجی الکترومغناطیسی یا طیف سنجی ¹ مطالعه برهمکنش بین تابش و ماده با جذب یا انتشار انرژی تابشی کاربرد دارد است. در نجوم , فیزیک , شیمی و , زیست شناسی سایر رشته های علمی .

بر تجزیه و تحلیل طیفی اساس تشخیص جذب یا انتشار تشعشعات الکترومغناطیسی خاص در طول موجهای ، در رابطه با سطوح انرژی درگیر در یک انتقال کوانتومی است .

سه حالت تعامل با ماده وجود دارد:

• برخورد الاستیک : تنها تغییری در تکانه فوتون ها وجود دارد (به عنوان مثال، پرتوهای ایکس ، پراش الکترون ، و پراش نوترون ).
• برخورد غیر الاستیک : به عنوان مثال، طیف سنجی رامان .
• جذب یا تشدید گسیل فوتون ها

نظریه

نظریه مرکزی طیف سنجی این است که نور از طول موج های متفاوتی تشکیل شده است و هر طول موج با فرکانس متفاوتی مطابقت دارد. اهمیت طیف‌سنجی بر این واقعیت متمرکز است که هر عنصر مختلف در جدول تناوبی دارای طیف نوری منحصربه‌فردی است که با فرکانس‌های نوری که ساطع می‌کند یا جذب می‌کند و به طور پیوسته در همان بخش از طیف الکترومغناطیسی ظاهر می‌شود، زمانی که آن نور پراش می‌شود، توصیف می‌شود. این یک میدان مطالعه کامل را با هر چیزی که حاوی اتم است، که همه آن ماده است، باز کرد. طیف سنجی کلید درک خواص اتمی همه مواد است. به این ترتیب، طیف‌سنجی بسیاری از زیرشاخه‌های جدید علم را باز کرد که هنوز کشف نشده‌اند. این ایده که هر عنصر اتمی دارای امضای طیفی خاص خود است، امکان استفاده از طیف‌سنجی در تعداد زیادی از میدان‌ها را فراهم کرده است که هر کدام هدف خاصی دارند که با روش‌های طیف‌سنجی مختلف به دست می‌آیند. او موسسه ملی استاندارد و فناوری یک پایگاه داده عمومی از طیف های اتمی دارد که به طور مداوم با اندازه گیری های دقیق به روز می شود. ²

گسترش میدان طیف سنجی به این دلیل است که هر بخشی از طیف الکترومغناطیسی را می توان برای تجزیه و تحلیل یک نمونه استفاده کرد، از مادون قرمز تا ماوراء بنفش، که خواص متفاوتی را در مورد یک نمونه به دانشمندان نشان می دهد. به عنوان مثال، در تجزیه و تحلیل شیمیایی، رایج ترین انواع طیف سنجی شامل طیف سنجی اتمی، طیف سنجی مادون قرمز، طیف سنجی فرابنفش و مرئی، طیف سنجی رامان و تشدید مغناطیسی هسته ای است . ³ در تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR)، تئوری پشت آن این است که فرکانس مشابه رزونانس و فرکانس تشدید متناظر آن است. تشدید بر اساس فرکانس برای اولین بار در سیستم‌های مکانیکی مانند آونگ‌هایی که دارای فرکانس حرکتی هستند مشخص شد که گالیله به آن اشاره کرد . ⁴ .

جنبه های عمومی

مکانیسمی که ماده توسط آن تابش الکترومغناطیسی ساطع می کند حوزه طیف سنجی است. تابش الکترومغناطیسی به تفاوت انرژی در انتقال الکترون ها از یک سطح اتمی به سطح دیگر نسبت داده می شود. طیف سنجی در بیشتر موارد به برهمکنش سوم مربوط می شود. مطالعه کنید که یک ماده با چه فرکانس یا طول موجی می تواند انرژی را به شکل کوانتوم نور جذب یا منتشر کند.

انرژی یک فوتون ( کوانتوم نور ) یک موج الکترومغناطیسی یا فرکانس مربوط به آن برابر است با اختلاف انرژی بین دو حالت کوانتومی ماده مورد مطالعه:

D E = ساعت ⋅ n 

جایی که ساعت  است ثابت پلانک ، n فرکانس پرتو نور یا موج الکترومغناطیسی مرتبط با آن کوانتوم نور است و D E تفاوت انرژی است نیز شناخته می شود این معادله به عنوان معادله پایه طیف سنجی . تفاوت‌های انرژی بین حالت‌های کوانتومی به ترکیب عنصری نمونه یا ساختار مولکول بستگی دارد، بنابراین این روش اطلاعات مهمی را برای ستاره‌شناسان، فیزیکدانان، شیمی‌دانان و زیست‌شناسان فراهم می‌کند.

با استفاده از اسپکتروفتومتر ، طیف نور اندازه گیری می شود (شدت نور جذب شده، منعکس شده یا ساطع شده به عنوان تابعی از فرکانس یا طول موج). طیف ها به طور قابل توجهی از عنصری به عنصر دیگر متفاوت است.

تعریف “طیف”

به طور کلی، توزیع شدت به عنوان تابعی از فرکانس یا طول موج «طیف» نامیده می شود .

امروزه طیف‌سنجی علاوه بر نور مرئی، بخش بزرگی از طیف الکترومغناطیسی را پوشش می‌دهد .

هدف از طیف سنجی

هدف طیف سنجی به دست آوردن اطلاعات در مورد یک آزمایش یا یک جسم تابشی است. مثلا:

• ساختار داخلی یا دما (به عنوان مثال ستاره ها )؛
• ترکیب یا سینتیک یک واکنش شیمیایی ؛
• طیف سنجی تحلیلی اتم ها یا مولکول ها را با استفاده از طیف آنها شناسایی می کند.

تاریخچه

 

 

 

رابطه با مطالعه ستارگان

ستارگان ، امواج ، و همچنین ماده بین ستاره ای الکترومغناطیسی ساطع می کنند. ستاره شناسان با رمزگشایی پیام هایی که این امواج هنگام رسیدن به سیاره ما دارند، آنچه را که ما در مورد قلمرو فرازمینی می دانیم، آموخته اند. لازم به ذکر است که انتشار و تغییرات بعدی که توسط این تشعشعات تجربه می شود، نتیجه عوامل بسیاری است: ترکیب عنصری منبعی که آنها را ساطع می کند، دما، فشار و درجه یونیزاسیون که در آن یافت می شود، تأثیر میدان های مغناطیسی. و برق و غیره از سوی دیگر، همانطور که ستاره شناسان و فیزیکدانان این حالت های مختلف ماده را در آزمایشگاه های خود بازتولید کرده اند و طیف های مربوطه را به دست آورده اند، اینها به عنوان استانداردهایی عمل می کنند که امکان تجزیه و تحلیل طیف اجرام سماوی و استخراج تمام اطلاعات موجود در آنها را فراهم می کند. در مورد طیف های نور، مطالعات شامل تجزیه و تحلیل طیفی است که به طور خاص شامل مطالعه نوری است که قبلاً با استفاده از یک منشور یا یک توری پراش به تابش های تک رنگ تجزیه شده است.

از سوی دیگر، مدارهای اتم یک عنصر شیمیایی به اندازه اثر انگشت یک فرد برای آن مشخص است و همیشه با هر عنصر دیگری متفاوت است. این گونه است که فیزیکدانان توانسته اند مجموعه تابش نور ساطع شده توسط هر یک از عناصر را هنگامی که در حالت مهتابی قرار دارند فهرست بندی کنند .

نوری که دریافت می کنیم از یک ستاره ، برای مثال، از مخلوطی از تابش ها تشکیل شده است که برخی از آن ها از اتم های هیدروژن ، هلیوم، آهن و غیره می آیند. اگر این نور از شکافی عبور کند تا پرتوی بلند و باریک به دست آید، و اگر از یک منشور عبور کند، تابش‌های مختلف طبقه‌بندی می‌شوند، زیرا منشور آن‌هایی را که طولانی‌ترین طول موج را دارند به یک انتها منحرف می‌کند (مطابق با . ) نور قرمز) و نسبت به دیگری با طول موج کوتاهتر ( نور بنفش )؛ بین هر دو حد، امواج با طول متوسط ​​ترتیب داده می شوند: نارنجی ، زرد ، سبز ، آبی و نیلی . به دست می آید به طور خلاصه، اینگونه است که یک طیف پیوسته که ظاهر آن مانند یک نوار عرضی باریک از رنگین کمان است .

پدیده دیگری بین انتشار این طیف توسط اتم های برانگیخته شده توسط گرمای ستاره و دریافت آن بر روی زمین دخالت می کند، که امکان تجزیه و تحلیل طیفی را فراهم می کند. هر بار که یک تشعشع ساطع شده، در حین انتشار خود در همان اتمسفر ستاره، بخاری می یابد که حاوی اتم های همان عنصر است، توسط یکی از آنها جذب می شود. در نتیجه، در طیف آن ستاره ای که در زمین به دست می آید، هر یک از موقعیت های مربوط به طول موج های رهگیری شده فاقد نور بوده و یک خط تاریک در آن ظاهر می شود. بنابراین، به جای طیف گسیل، به دست می آید یک طیف جذبی که به صورت خطوطی حاوی آثاری از تمام عناصر شیمیایی موجود در ستاره است.

این طیف علاوه بر نشان دادن ترکیب عنصری منبع نور و وضعیت فیزیکی ماده آن، نشان می‌دهد که جسم نورانی و زمین در حال حرکت به سمت یکدیگر یا دور شدن از یکدیگر هستند و همچنین نشان‌دهنده سرعت نسبی حرکت آنهاست. (اثر داپلر) -Fizeau ).

برنامه های کاربردی

در طیف ستارگان همیشه ناحیه ای از تابش شدیدتر از بقیه وجود دارد. این برتری مستقل از ترکیب شیمیایی ستاره و ناشی از دمای سطح آن است. ما به تجربه می دانیم که اگر یک فلز به تدریج گرم شود، با داشتن یک مهتابی قرمز تیره شروع می شود که به تدریج روشن تر می شود و با تابش نور سفید به پایان می رسد. بنابراین، ستارگان قرمز کمتر از ستاره های نارنجی داغ هستند و اینها ستاره های زرد و غیره هستند. با شروع از طیف، اخترشناسان توانسته‌اند دمای سطح ستارگان را دریابند و آن‌ها را به گروه‌هایی طبقه‌بندی کنند ( نمودار هرتزسپرونگ-راسل ).

از سوی دیگر، هنگام مقایسه خطوط طیف یک ستاره با خطوط نور زمینی، مشاهده می شود که در طیف ستاره ای خطوط کمی به سمت انتهای قرمز طیف به یا سمت رنگ بنفش تغییر می کنند . این پدیده به دلیل اثر داپلر-فیزو امکان محاسبه سرعت شعاعی دور شدن یا نزدیک شدن ستاره از زمین را فراهم می کند. به ویژه، کشف این امکان را فراهم کرده است که همه کهکشان ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند، که دلیلی بر انبساط جهان است .

کشف شد سرانجام، به لطف تجزیه و تحلیل طیفی، هلیوم در سال 1868 پس از شناسایی خطوط به دست آمده در یک طیف پس از وقوع خورشید گرفتگی، . از آن زمان، تجزیه و تحلیل طیفی اجرام سماوی نشان داد که همه آنها از عناصری تشکیل شده اند که ما روی زمین می شناسیم و در جدول تناوبی مندلیف فهرست شده اند .

انواع طیف سنجی

پدیده های اصلی مورد استفاده عبارتند از:

• انتشار تابش توسط یک نمونه پس از تحریک توسط یک منبع نوری، حرارتی یا الکتریکی: طیف‌سنجی انتشار .
• جذب تابش توسط یک نمونه زمانی که توسط یک منبع نوری روشن می شود: طیف سنجی جذبی .
• فلورسانس (جذب و سپس انتشار تشعشع): طیف‌سنجی فلورسانس .

این پدیده ها می توانند مداخله کنند: ¹⁰

• خواص مولکولی، شامل الکترون های درگیر در پیوندهای شیمیایی: طیف سنجی مولکولی .
• خواص اتمی، شامل الکترون‌ها در اتم‌ها: طیف‌سنجی اتمی .

جدول زیر تصویری از تکنیک های طیف سنجی مختلف بسته به دامنه طول موج ارائه می دهد.

سایر تکنیک های طیف سنجی

طیف سنجی جرمی

• طیف سنجی جرمی یونیزاسیون ثانویه
• طیف سنجی جرمی اتصال یونی

طیف سنجی الکترونی

• طیف سنجی اوگر
• طیف‌سنجی اتلاف انرژی (EELS)
• طیف سنجی فوتوالکترون UV
• طیف سنجی فوتوالکترون X

طیف سنجی تشدید

• طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای
• تشدید پارامغناطیس الکترونیکی
• رزونانس فرومغناطیسی

دیگران

• طیف سنج
• طیف سنجی دی الکتریک
• طیف سنجی تحرک یونی
• طیف سنجی پراکندگی یونی
• طیف سنجی پس پراکندگی رادرفورد
• طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی
• طیف سنجی اکو اسپین نوترونی
• طیف سنجی فوتو آکوستیک
• طیف سنجی مشعل پلاسما
• طیف سنجی تشدید صوتی

طیف سنجی در نجوم

طیف سنجی تکنیکی است که به طور گسترده در نجوم استفاده می شود، عمدتا در UV، اپتیک و مادون قرمز. متمایز می کند:

• که طیف‌سنجی شکاف بلند از چند مرتبه اول پراش استفاده می‌کند و عموماً برای طیف‌سنجی یک جسم واحد در یک زمان استفاده می‌شود.
• طیف‌سنجی مقیاسی که از مرتبه‌های بالای پراش استفاده می‌کند و امکان دستیابی به وضوح‌های طیفی بسیار بالا را فراهم می‌کند.
• طیف‌سنجی چند جسمی که به طیف‌سنجی همزمان چند جسم به صورت همزمان، یا با استفاده از ماسک یا با استفاده از فیبرهای نوری اختصاص دارد .