Оптичні методи аналізу речовини
Оптика – розділ фізики, присвячений вивченню електромагнітного випромінювання.
Спектр електромагнітного випромінювання. Сукупність всіх частот (довжин хвиль) електромагнітного випромінювання називають електромагнітним спектром. Інтервал довжин хвиль розбивають на області:
– γ-випром, рентген 0,1 –10 нм;
– ультрафіолетова (УФ) область займає діапазон ~10 – 380 нм;
– видиме світло, що використовується у найбільш розповсюджених методах аналізу, займає вузьку область 380 – 750 нм;
– інфрачервона (ІЧ) область 750 – 10 000 нм;
– радіохвилі довжин хвиль більше 10 000 нм.
До оптичного діапазону відносять електромагнітні хвилі трьох ділянок:
ультрафіолетової (УФ); видимої; інфрачервоної (ІЧ).
Оптичні методи аналізу речовини найважливіша основа для вивчення будови атомів та молекул, іонів, властивостей речовини в її різних агрегатних станах, вивчення кристалів та аморфних речовин.
Оптичні методи аналізу речовини базуються на вимірюванні параметрів, що характеризують ефекти взаємодії електромагнітного випромінювання з речовинами:
1) відбиття від речовини, поглинання речовиною та заломлення при проходженні випромінювання крізь речовину (закрема у видимій області дозволяє нам бачити зовнішній світ);
2) випромінювання збуджених атомів речовини (флуоресценція, люмінесценція);
2) поглинання випромінювання (абсорбція);
3) заломлення світла;
4) обертання кута площини поляризованого променя світла та ін.
Спектроскопíя — підрозділ оптики, присвячений вивченню спектрівелектромагнітного випромінювання. Слово "спектроскопія" походить від латинського слова "spectrum" (привид) і грецького "skopos" (спостерігач): спостерігання за привидами.
На спектроскопії базується спектральний аналіз (аналіз і синтез –основа наукового пізнання, проява основного закону філософії: «єдності (синтез) і боротьби протилежностей (аналіз)»
Спектроскопія - неоцінимий аналітичний метод, що реалізовується на різних типах спектрометрів (або спектрофотометрів) - ЯМР, ІЧ, УФ, видимої і ближньої ІЧ частини спектра, флуоресцентних спектрометрах.
Сигнали, що виникають при взаємодії електромагнітного випромінювання з речовинами, несуть якісну та кількісну інформацію про речовину.
Якісну інформацію несе частота (довжина хвилі) сигналу, пов’язана з природою речовини, кількісну – інтенсивність сигналу, яка залежить від кількості речовини.
Параметри досліджуємої речовини є функцією концентрації (кількості) або конкретних хімічних елементів-атомів або хімічних зв’язків у молекулах або надмолекулярної будови аналізуємого об’єкту.
Механізм виникнення аналітичного сигналу у спектроскопії.
Потік фотонів з однаковою частотою має назву монохроматичного, з різними частотами – поліхроматичний. Звичайний потік випромінювання, що спостерігають від розпалених тіл, зокрема сонячне світло, є поліхроматичним.
Зовнішні електрони атомів і молекул, що легко збуджуються, називають оптичними, переходи за їх участю на різних резонансних частотах дають оптичний спектр.
Будова атомів та походження спектрів хімічних елементів
Енергія збудження зовнішніх електронів різних елементів неоднакова. Наприклад, для отримання резонансної лінії лужних металів (перехід Е1 → Е0) потребується порівняно невисока енергія (~ 2 еВ, довжини хвиль лежать у видимій області), для
неметалів ця енергія суттєво більше (~ 5 еВ, довжини хвиль лежать в УФ – області).
Чим більше зовнішніх електронів, тим більше можливостей має атом для енергетичних переходів, через це спектри металів типу ферума складаються з тисяч ліній, а спектри лужних металів бідні на них.
Спектр поглинання отримують при розташуванні досліджуваної речовини в полі електромагнітного випромінювання (наприклад, на шляху світлового потоку), а для отримання спектру випускання попередньо переводять атоми речовини у збуджений стан, що досягається підведенням будь-якого виду енергії (теплової, хімічної, електророзряду, електромагнітного випромінювання та ін.); після збудження атоми через 10-9 – 10-7 с повертаються в основний стан, випускаючи фотони або теплоту.
Один атом за один акт поглинає або випускає тільки один фотон з певною енергією (частотою). Сукупність усіх фотонів однієї частоти складає спектральну лінію, при поглинанні її називають абсорбційною, при випусканні – емісійною. Сукупність всіх абсорбційних або всіх емісійних ліній називають абсорбційним (поглинання) або емісійним (випускання) спектром речовини.
Будова молекул та походження молекулярних спектрів
Молекули складаються з двох чи більше атомів, з’єднаних між собою в певному порядку хімічними зв’язками, які утворені при взаємодії зовнішніх електронів. При цьому атоми зближаються, але так, що їх завершені оболонки не торкаються. Енергетична будова молекули складніша, ніж у атома. Наряду з рухом електронів відбувається коливальний рух самих атомів, точніше їх ядер, та обертання молекули як цілого. Отже, в будь-якому стаціонарному стані енергія молекули складається з електронної, коливальної та обертальної енергій.
При отриманні енергії зовні чи при втраті її молекула переходить з одного енергетичного рівня на інший. У молекул, так само як і у атомів, найбільш збудливими є зовнішні (оптичні) електрони. Енергія збудження зовнішніх електронів молекул приблизно така сама, як в атомах (150 – 600 кДж·моль-1), що відповідає випромінюванню в видимій та УФ – ділянках спектру. Переходи між коливальними рівнями в межах одного електронного стану відповідають меншим енергіям (0,4 – 150 кДж·моль-1, випромінювання в ІЧ-області), переходи між обертальними рівнями характеризуються ще меншою енергією (0,01 – 0,4 кДж·моль-1, випромінювання в далекій інфрачервоній та мікрохвильовій областях).
Сукупність всіх поглинутих частот складає характерний спектр поглинання молекули на відповідних частотах, відповідної інтенсивності (молекулярний абсорбційний спектр). По атласам спектрів можна визначити з яких молекул і в якій їх кількості складається досліджувана речовина.
Монохроматизація випромінювання. В ідеальному випадку для отримання аналітичного сигналу від одного єдиного переходу потрібно опромінити речовину монохроматичним потоком (в абсорбційних методах) або затримати випромінювання всіх випускаючих частот, окрім потрібного (в емісійних методах).
На практиці світлові потоки поліхроматичні, тобто складаються з випромінювання багатьох довжин хвиль. Вилучити абсолютно монохроматичне випромінювання неможливо. Отримують потік випромінювання більш чи менш вузького інтервалу довжин хвиль, що досягається бездисперсійними (за допомогою світлофільтрів) або дисперсійними (за допомогою монохроматорів) способами.
Дані спектроскопії – найважливіша основа для вивчення будови атомів та молекул, іонів, надмолекулярної структури речовини в її різних агрегатних станах, вивчення кристалів та аморфних речовин.
Загальні основні вузли спектральних пристроїв:
1.джерело випромінювання,
2.пристрій для виділення пучка фотонів з однаковою частотою,
3.відділення для установки досліджуваного зразка,
4.приймач випромінювання (детектор),
5.перетворювач сигналу.
Окрім цього, кожен спектральний прилад має лінзи, дзеркала, щілини та інші оптичні
деталі; багато приладів мають електронні пристрої та комп’ютери.
За способом реєстрації спектруоптичні методи ділять на візуальні, фотографічні та фотоелектричні.
В оптичних методах аналізу використовують візуальні приймачі вимірювання (оптичний мікроскоп, колориметрія) та фотоприймачі: фотодетектори - пристрої перетворювачі випромінювання у фотографічне зображення або засновані на явищі фотоефекту (перетвореня фото сигналу у електричний). При використанні фотоприймачів у метода додаться частка «фото» (спектрофотометр,фотоколориметр). Використовують: