Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Абсорбционните спектри на различни вещества могат да ни предоставят информация за техния химичен състав, молекулна структура и атомна структура. Областта на спектроскопията се занимава с тяхното производство и анализ. Знанията, получени по този начин, могат да бъдат използвани за разработване и получаване на нови материали с интересни свойства, което ни позволи да създадем модерни самолети, катализатори за изгорели газове, фотоволтаични клетки или литиево-йонни батерии.
Спектроскопия
Изследването на атомните спектри е полезно не само в науката за материалите - спектроскопският анализ също е основен в работата на реставраторите на изкуството. Това, наред с други неща, ви позволява да разберете защо микровълновата фурна работи.
Ориз. 1. Можем да използваме абсорбционна спектроскопия, за да изследваме безопасно произведения на изкуството. Източник на снимката: http://monalisa.org/
Думата спектър идва от латинската дума spectrum, означаваща външен вид, гледка или изображение, както и дух или фантом. „Спектроскопията“, от друга страна, е метод за получаване и изследване на спектри, тоест зависимостта на физическите величини от дължината на вълната, честотата или енергията на светлината. Следователно терминът "абсорбционна спектроскопия" ще бъде използван за описание на изследователски методи, чиято цел е да се получи абсорбционният спектър на дадено вещество.
Моля, имайте предвид, че когато пишем за спектроскопски методи, използваме множествено число - няма един метод, наречен "абсорбционна спектроскопия" . В зависимост от дължината на вълната на използваната светлина може да се говори за различни видове абсорбционна спектроскопия (и различни абсорбционни спектри).Примери (не всички!) от това семейство са представени в таблица 1.
| Вид използвано лъчение | Име на метода |
| рентгенова снимка | Рентгенова абсорбционна спектроскопия |
| UV и видими | UV-видима спектроскопия (UV-VIS-спектроскопия) |
| Инфрачервена връзка | Инфрачервена абсорбционна спектроскопия |
| Микровълнова | Микровълнова абсорбционна спектроскопия |
| радиовълни | Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс. Спектроскопия с електронен парамагнитен резонанс. |
Преди да продължим, нека си припомним какво е абсорбционен спектър - той се получава чрез осветяване на вещество с определена радиация и изследване на радиацията, която преминава през субстанцията.С други думи, ако наблюдаваме липсата на определени дължини на вълните в абсорбционния спектър в сравнение с падащото лъчение, това означава, че тези дължини на вълните са били абсорбирани от материала.
Схема на абсорбционния метод е показана на фиг. 2, а пример за абсорбционен спектър е показан на фиг. 3. Това е спектърът на поглъщане на слънчевата радиация, получен, когато слънчевата радиация, произведена дълбоко в звездата, преминава през слоеве газ. Видимите черни линии показват, че част от радиацията е абсорбирана.
Ориз. 2. Схема на типичен метод на абсорбция (абсорбция)
Ориз. 3. Спектър на поглъщане на слънчевата радиация. Източник на фигурата: https://ru.wikipedia.org/wiki/Absorption_spectroscopy
Различните видове абсорбционна спектроскопия са мощни инструменти за изследване на различните свойства на материалите. В таблица 2 сме предоставили примери за информация, която може да бъде получена чрез изследване на абсорбционните спектри в различни спектрални диапазони.
| Вид използвано лъчение | Приложение |
| рентгенова снимка | Изучаване на разположението на атомите един спрямо друг на много малки разстояния, изучаване на химическия състав на пробата и степента на окисление на елементите |
| UV | Тестване на химичния състав на пробата, тестване на концентрацията на разтворите |
| Видимо | Изследване на химичния състав на звездите и междузвездните облаци, изучаване на електронната структура на твърдите тела, изследване на химичния състав на проба, изследване на концентрацията на разтвори |
| Инфрачервена връзка | Изучаване на химичния състав на газовете, изучаване на видовете връзки между атомите, за органични съединения: определяне на видовете функционални групи, които се прикрепят към въглеродната верига |
| Микровълнова | Определяне на дължините на връзките и ъглите между атомите |
| Радиовълна | Изучаване на разположението на атомите един спрямо друг на много малки разстояния, изучаване на степента на окисление на елементите в проба |
Приложение
В таблица 2 представяме типични научни приложения на абсорбционната спектроскопия. Но нека се опитаме да отговорим на въпроса – с какво изследваните свойства могат да ни бъдат полезни? Каква полза можем да извлечем от познаването на взаимното разположение на атомите в даден материал или видовете химични връзки? С други думи, защо тези методи са толкова важни?
Отговорът е много общ - познаването на тези аспекти ни позволява по-специално да свържем различни свойства на материалите с тяхната атомна структура. Знаейки как са свързани свойствата и структурата на даден материал, можем да се опитаме да променим тази структура и по този начин да подобрим свойствата на материалите.В резултат на това сега сме в състояние да произвеждаме много здрави и много леки композитни материали, които се използват например в конструкцията на самолети, все по-модерни електрически проводници, каталитични преобразуватели за разграждане на автомобилни изгорели газове, литиево-йонни батерии , фотоволтаични клетки или сензори за изгорели газове или други токсични газове.
Чрез изучаване на свойствата на различни материали с помощта на техники на абсорбционна спектроскопия, можем да разработим нови материали с подобрени свойства. Например самолетът Boeing 787-8 е по-лек от своите предшественици поради използването на съвременни композитни материали в дизайна му.
Въпреки това, приложението на абсорбционната спектроскопия не се ограничава до материалознанието. Да вземем пример от съвсем друга област – изкуството! Когато изучават различни произведения на живописта, историците се интересуват от отговорите на следните въпроси: дали картината, която виждаме днес, е тази, която художникът е нарисувал първоначално? Каква беше техниката на рисуване? И накрая един не по-малко важен въпрос - оригинал ли е тази картина или много добре направено копие? Техниките на абсорбционната спектроскопия могат да дадат отговори на тези въпроси!
В историята на изкуството често се е случвало художник например да получи поръчка от своя патрон да нарисува първата версия на картина. Ако покровителят не беше доволен от резултата, художникът рисуваше или преначертаваше части от картината. Случва се и така, че пигментите, използвани в боите, не са издържали проверката на времето и са променили цвета си в резултат на химични реакции - например тъмнозелената боя може да стане кафява. И накрая, случва се работата на оригиналния художник впоследствие да бъде "коригирана" от други. Такива промени засегнаха например известната „Дама с хермелин“ на Леонардо да Винчи, където фонът зад фигурата беше боядисан в черно, а самата дама и хермелинът бяха ретуширани. Текущата версия на изображението е показана на фигура 4.
Ориз. 4. Дама с хермелин. Автор на картината: Леонардо да Винчи. Леонардо да Винчи, обществено достояние чрез Wikimedia Commons
На фиг. Фигура 5 показва фрагмент от хермелин, наблюдаван в инфрачервени лъчи. Тъмните области поглъщат силно тази радиация, светлите области слабо.
По-високата абсорбция в дадена област може да означава, че може да има по-ранна версия на изображението под видимия слой - в този случай по-тъмна линия около лицето на животното показва, че то е било малко по-голямо в оригиналната версия на изображението.
Фиг.5. Част от хермелин в инфрачервени лъчи. Източник
От друга страна, на фиг. 6 показва използването на UV абсорбция. Изображението абсорбира ултравиолетова радиация и излъчва радиация във видимата светлина. Съставът на тази светлина зависи от вида на използвания пигмент и неговия елементарен състав. В червената боя, която да Винчи рисува върху ръкава на роклята на портретуваната Сесилия Галерани, има по-специално олово, живак, желязо и калций. Забележете как пропорцията на всеки елемент се променя в по-светлите и по-тъмните области на ръкава.
Ориз. 6. Фрагмент от ръкав на рокля с елементарен анализ на използваната боя. Източник
Изучаването на химичния състав на пигментите също така позволява да се отговори на въпроса какъв е бил техният първоначален цвят - дали цветът, който виждаме днес, се е променил под влиянието например на метеорологичните условия. И накрая, той ви позволява да определите дали е извършена фалшификация. Ако при изследване на картина се установи наличие на багрила, които са подобни по състав на използваните днес, а не по времето, когато е създадена картината, можем да сме сигурни, че тази картина не е оригиналът.
Нека сега сменим темата с малко по-различна - от материалознанието и изкуството да преминем към изучаването на водата. Ще се опитаме да обясним някои от свойствата му въз основа на абсорбционните спектри за различни диапазони на излъчване.
Знаем, че водата е прозрачна на видима светлина, но има лек синкав оттенък. Защо? Вижте фиг. 7. Показва зависимостта на коефициента на поглъщане на водата (вертикална ос) от дължината на вълната на падащото лъчение (хоризонтална ос).Вертикалната ос е показана в логаритмична скала.
От графиката могат да се направят две важни заключения: първо, коефициентът на поглъщане не е постоянна стойност, а зависи от дължината на вълната (или честотата) на падащата светлина! Второ, виждаме, че дължините на вълните, които създават впечатление за лилаво и синьо, се абсорбират повече от 100 пъти по-малко от тези, свързани с червеното! Това придава на водата "синкав" оттенък.
Ориз. 7. Зависимост на коефициента на поглъщане в зависимост от дължината на вълната на лъчението. Източник
Нека сега анализираме друг спектър, този път в микровълновата област. Показано е на фиг. 8. Пунктираните линии на фигурата показват зависимостта на така наречените диелектрични загуби като функция от честотата на излъчване и температурата. Диелектричните загуби са свързани с абсорбцията - колкото по-големи са диелектричните загуби, толкова по-голяма е абсорбцията на лъчение.
Следователно кривите, показани на фиг. 8. могат също да се нарекат абсорбционни спектри, просто представени от други физични величини. „Диелектрична загуба“ означава, че енергията на падащото лъчение ще бъде абсорбирана от материала. Знаем, че погълнатата енергия е насочена към увеличаване на интензивността на вибрациите на водните молекули. Макроскопски това означава, че водата повишава температурата си, когато е осветена от микровълни.
Ориз. 8. Диелектрични загуби на вода в зависимост от температурата и честотата на излъчване. Източник: Андрей Андриевски, Светлана М. Кузнецова, Сергей В. Жуковски, Юрий С. Кившар, Андрей В. Лавриненко „Вода: обещаващи възможности за регулируеми изцяло диелектрични електромагнитни метаматериали“ Научни доклади 5:13535, DOi: 10.1038/srep13535.
Сещате ли се за някаква полза от този феномен? Това, разбира се, е микровълнова фурна. Типично устройство от този тип произвежда микровълни с честота 2,45 GHz (съответстваща на дължина на вълната от около 0,12 m).От фиг. Фигура 8 показва, че диелектричните загуби при тази честота са различни от нула - така че водата, присъстваща в храната, абсорбира микровълновото лъчение и повишава температурата си, което води до нагряване на цялата храна.
Анализиране на фиг. 9, може да се зададе и въпросът - защо не използваме честоти в микровълновите фурни, където диелектричните загуби са още по-големи - например около 10 GHz? В края на краищата тогава поглъщането на радиацията ще бъде още по-ефективно и храната ще се затопли по-бързо! Отговорът е свързан с друго свойство на радиацията - колкото по-висок е коефициентът на поглъщане (или диелектрична загуба), толкова по-малко радиация прониква в материала.
Високата диелектрична загуба означава, че по-голямата част от радиацията се абсорбира много близо до повърхността. Следователно, ако микровълновите фурни произвеждат микровълни с по-висока честота, тогава храната, която се нагрява, ще бъде много гореща в тънък слой близо до повърхността и ще стане студена дълбоко. При по-ниски микровълнови честоти абсорбираната енергия се разпределя по-равномерно в храната.
Накрая, нека анализираме зависимостта на коефициента на водопоглъщане за широк честотен диапазон. Фигура 9 показва диапазона на видимата светлина, който обсъдихме по-рано. При анализ на спектъра в широк диапазон се вижда, че абсорбцията на водата във видимия диапазон е много слаба - водата абсорбира много по-добре вълните от инфрачервения и микровълновия диапазон (което я кара да се нагрява) и от ултравиолетовия диапазон .
Ориз. 9. Коефициент на водопоглъщане в зависимост от дължината на вълната на излъчване. Източник
За сравнение - поглъщането в ултравиолетовата е около милиард пъти по-силно, отколкото във видимата област! Силното поглъщане в този регион вече е свързано с фотойонизацията на водата - радиацията се абсорбира от водните молекули и кара електроните да бъдат избити от тях.
Дължим присъствието си на Земята на факта, че водата абсорбира слабо видимата радиация. Ако водата силно абсорбира тази видима радиация, всички водни тела биха били тъмни и мътни. Това би предотвратило развитието на водни растения и след това на водни животни.
Референции
- Elyashevich M.A. Оптични спектри // Физическа енциклопедия / Гл. изд. А. М. Прохоров. - М.: Велика руска енциклопедия, 1994. - Т. 4. Ефект на Пойнтинг-Робъртсън - Стриймери. - С. 628-629. - 704 стр. - 40 000 копия. - ISBN 5-85270-087-8.
- Физика. 11 клас: учебник. за общо образование институции: основни и профилни. нива / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; изд. В. И. Николаев, Н. А. Парфентева. - 19-то изд. - М.: Просвещение, 2010. - 399 с.
- Малишев, VI Въведение в експерименталната спектроскопия. - М.: Наука, 1979. - 479 с.
- Джон М. Чалмърс; Питър Грифитс, изд. (2006). Наръчник по вибрационна спектроскопия. Ню Йорк: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.