Глава 8. Оптическая спектроскопия. Ик- спектроскопия. Радиоспектроскопия.

8.1. СПЕКТРЫ ИСПУСКАНИЯ И СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ. СПЕКТРОГРАФЫ. СПЕКТРОМЕТРЫ. СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ

Спектры испускания (эмиссионные спектры) – это графики зависимости спектральной плотности интенсивности от длины волны I_λ () (см. рис.8.1 а). Спектральная плотность интенсивности – интенсивность в узком интервале длин волн, делённая на ширину этого интервала.

Спектры поглощения (абсорбционные спектры) - это графики зависимости оптической плотности от длины волны D ()

(см. рис. 8.1 б ).

Рис. 8. 1.Спекры испускания (а) и поглощения (б)

Для возбуждения эмиссионных спектров (рис.8.1 а)требуется произвести на исследуемый образец довольно сильное воздействие, например, нагреть его до достаточно высоких температур или пропустить через него электрический разряд ( это, если образец в газообразном состоянии). Затем электромагнитное излучение образца при помощи дифракционной решётки (см. раздел II ,6.5.) или призмы (см. раздел II,6.11) разделяется на монохроматические составляющие. Измеряя спектральную плотность излучения на разных длинах волн, получают спектр излучения.

Для получения абсорбционных спектров не требуется производить на образец сильных воздействий. На исследуемый образец направляется электромагнитное излучение определённых длин волн, и на каждой из длин волн определяется его оптическая плотность ( рис. 8.1 б)

Согласно закону Кирхгофа равновесные спектры теплового излучения совпадают со спектрами поглощения (А люминесценция, в отличии от теплового излучения, не может быть равновесной). Для спектров люминесцентного излучения выполняется правило Стокса (см. раздел III, 6.3). Излучение равновесное - когда за тоже время тело излучает столько же энергии сколько и поглощает.

Дальше ограничимся рассмотрением спектров теплового излучения, для них информация, полученная при исследовании эмиссионных и абсорбционных спектров, совпадает. Приборы для снятия спектров излучения - спектрометры или спектрографы (см. рис. 8.2 а). Приборы, при помощи которых снимаются спектры поглощения – спектрофотометры (см. рис. 8.2 б). На рисунках даны упрощённые схемы этих приборов.

В простейшем спектрографе ( рис. 8.2 а) электромагнитное излучение от исследуемого образца О направляется в щель Щ монохроматора М и разлагается на монохроматические составляющие при помощи призмы П ( или дифракционной решётки). Для наблюдения полученного спектра – совокупности изображений входной щели на разных длинах волн используется либо окуляр (тогда это спектроскоп) или фотоплёнка Ф ( тогда это спектрограф), либо фотоэлектрические датчики ( в спектрометрах).

В спектрофотометрах (рис. 8.2 б) электромагнитное излучение от источника И ( например, лампы накаливания или люминесцентного источника) через входную щель Щ₁ монохроматора М направляется на призму П (или дифракционную решётку), в которой разлагается на монохроматические составляющие. Через выходную щель Щ₂ излучение определённой волны направляется на образец О. Поворачивая призму (или дифракционную решётку), можно направлять на образец излучение различных длин волн. Дальше прошедшее через образец излучение преобразуется при помощи фотоэлемента Ф/Э в электрический сигнал, который фиксируется гальванометром Г. Гальванометр градуируется либо по значениям оптической плотности D, либо коэффициента пропускания τ. Определив оптическую плотность D при разных длинах волн λ, получаем спектр поглощения D(λ)

Рис.8.2. Спектрограф – а и спектрофотометр – б.

8.2. АТОМАРНЫЕ СПЕКТРЫ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ

Энергия атома дискретна (см. раздел III, 5.5). Разные энергетические уровни: Е₁, Е₂, Е₃ … соответствуют разным состояниям электронных оболочек атома, в основном, электронов на внешних оболочках. При поглощении атомом электромагнитного излучения происходит переход с нижнего уровня Е_n на верхний Е_m . При этом поглощается фотон с энергией ε = Е_m - Е_n . Его длина волны:

λ = (8.1)

При излучении происходит переход с верхнего уровня на нижний, и при этом излучается фотон такой же энергии и длины волны, как у фотона, поглощённого при обратном переходе с данного нижнего на данный верхний уровень (см. рис. 8.3).

Рис. 8.3. Поглощение – а и излучение – б атома.

Так как энергия атома принимает дискретный ряд значений, спектр излучения атома – набор длин волн и соответствующих интенсивностей тоже дискретен – линейчатый ( рис 8.4 б).

Чем больше «расстояние» между энергетическими уровнями Δ Е, тем меньше длина волны λ = , поглощённого или испущенного излучения. Рассмотрим в качестве примера атом водорода - атом с одним электроном.

Рис. 8. 4 . Излучение атома водорода. Энергетические уровни –а, спектры излучения и поглощения- б. Л – серия Лаймана, Б – серия Бальмера, П – серия Пашена. ( Объясния в тексте).

По мере увеличения энергии Е расстояния между уровнями Δ Е уменьшаются. Расстояние между первым и вторым энергетическими уровнями больше, чем между вторым и бесконечным, между вторым и третьим больше, чем между третьим и бесконечным и т. д. (рис. 8.4 а). Поэтому излучения, сопровождающие переходы с любого верхнего на первый уровень, самые коротковолновые. Они для атома водорода происходят в ультрафиолетовой области – серия Лаймана, при переходе на второй уровень испускается более длинноволновое электромагнитное излучение – видимый свет – серия Бальмера, а переходы на третий и так далее уровни сопровождаются невидимыми инфракрасными излучениями – серия Пашена и т. д. (рис. 8.4 а и 8.4 б).

Для каждого элемента набор перепадов энергий Δ Е при переходах с одних уровней на другие индивидуален, поэтому индивидуален спектр испускания (и также спектр поглощения, соответствующий переходам с нижних уровней на верхние). Вероятности разных переходов разные и поэтому разные интенсивности (яркости) разных спектральных линий. Для разных элементов характерны разные длины волн спектральных линий наибольшей интенсивности. Например, для натрия – ярко-жёлтая линия (на самом деле, две близко лежащие линии: 589,0нм и 589,6нм). Атомарные спектры позволяют проводить очень точные исследования химического состава исследуемого образца – и качественный, и количественный анализ. Чувствительность метода – 10 ^–6 моль/л. Линейчатые атомарные спектры получаются только для газообразных образцов. Для атомарного спектрального анализа используется изучение и эмиссионных, и абсорбционных спектров. В медицине и фармации спектральный анализ позволяет, например, определять микроэлементы в тканях организма, примеси вредных металлов в консервированных продуктах, в целях судебной медицины и т. д.

8.3. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ МОЛЕКУЛ

Структура энергетических уровней молекул значительно сложнее структуры энергетических уровней атомов. Энергетические уровни молекул определяются не только состояниями электронных оболочек Е_э , но и энергиями колебательного движения атомов, входящих в молекулу, относительно друг друга Е_к и вращательного движения групп атомов Е_в . На рисунке 8.5 схематически показаны простейшие энергетические уровни молекул. Для простоты ограничимся только двумя электронными, колебательными и вращательными уровнями. К энергии каждого электронного уровня Э₁ и Э₂ могут добавляться энергии двух колебательных подуровней К₁ и К₂ , таким образом, два электронных уровня уже расщепляются на шесть электронно-колебательных. А так как к энергиям каждого из этих электронно-колебательных уровней могут добавляться ещё энергии двух вращательных подуровней В₁ и В₂ получаем в этом простейшем случае уже восемнадцать электронно-колебательно-вращательных уровней. На самом деле, структура молекулярных энергетических уровней ещё гораздо сложнее! Заметим, что «расстояния» между электронными уровнями Δ Е_э больше, чем между колебательными Δ Е_к , а между колебательными больше, нежели между вращательными Δ Е_в:

Δ Е_э ΔΔ Е_в.

Согласно формуле дё Бройля _Б = , чем больше масса микрообъекта, тем менее выражены его волновые свойства, и поэтому менее выражена дискретность энергии. Этим и объясняется, что «расстояния» между энергетическими уровнями электронов больше, чем у более массивных колеблющихся атомов, а у атомов больше, чем у вращающихся групп атомов.

Рис. 8.5. Энергетические уровни молекул и квантовые переходы в них. ( Объяснения в тексте).

При поглощении или излучении кванта электромагнитной волны молекулой происходят переходы с одного энергетического уровня на другой:

1) Электронно-колебательно-вращательный переход , когда меняются и электронная, и колебательная и вращательная энергия, сопровождается поглощением или излучением на длинах волн, которые можно найти по формуле:

(8.2)

2. Колебательно-вращательный переход, когда меняются колебательная и вращательная энергия, сопровождается поглощением или излучением на длинах волн:

(8.3)

2. Вращательный переход, когда меняется только вращательная энергия сопровождается поглощением или излучением на длинах волн:

(8.5)

Так как Δ Е_э  Δ  ∆Е_в , λ_э  λ_к  λ_в .

Электронно-колебательно-вращательные переходы связаны с поглощениями и излучениями в ближнем ультрафиолетовом (УФ), видимом (ВИД) и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн. Колебательно-вращательные в среднем инфракрасном диапазоне. А вращательные – в дальнем ИК и микроволновом (СВЧ) диапазоне (рис. 8.6).

Рис.8.6. Диапазоны длин волн, соответствующих испусканию и поглощению электромагнитного излучения при различных квантовых переходах в молекулах. (Объяснение в тексте).

Рис. 8.7. Полосатые молекулярные спектры. ( Объяснения в тексте).

Рис. 8.8. Сплошные спектры. (Объяснения в тексте).

Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга Еt , энергия микрообъекта может быть определена лишь с некоторой точностью (вернее, неточностью – неопределённостью). В силу некоторой неопределённости энергий энергетических уровней длины волн поглощаемых или испускаемых излучений, соответствующих переходам между уровнями, тоже обладают неопределённостью. Этим объясняется уширение спектральных линий и слияние близко расположенных линий в полосы (см. рис.8.7). Атомарные спектры линейчатые, так как электронные энергетические уровни атомов и, соответственно, спектральные линии расположены относительно далеко друг от друга. А у сложных молекул электронные энергетические уровни расщеплены на близко расположенные колебательно-вращательные подуровни и поэтому соответствующие переходам между уровнями близко расположенные спектральные линии в молекулярных спектрах сливаются в полосы. Молекулярные спектры сложных молекул – полосатые. И линейчатые атомарные и полосатые молекулярные спектры можно наблюдать только для образцов в газообразном состоянии. В конденсированных (сгущённых) жидком или твёрдом состояниях энергетические уровни дополнительно расщепляются вследствие энергий межмолекулярного взаимодействия и спектры становятся сплошными (рис.8.8).

При исследовании сложных молекул и, тем более биомакромолекул неприменим метод эмиссионной спектроскопии, так как он требует сильных воздействий на объект, при которых молекулы могут разрушиться. Напротив, неповреждающая абсорбционная спектроскопия с успехом применяется для исследования различных молекул и даёт разнообразную ценную информацию

По спектру поглощения можно проводить качественный и количественный анализ. Набор длин волн и относительные высоты пиков оптической плотности спектра дают информацию о том, какие вещества входят в исследуемый образец. А значение оптической плотности характерного для данного вещества пика даёт возможность рассчитать концентрацию этого вещества ( рис. 8.8). Если, как это практикуется в большинстве случаев, исследуемый образец – раствор, концентрацию вещества можно найти по формуле:

(8.6)

Здесь с – искомая концентрация ε – молярный коэффициент поглощения данного вещества при длине волны λ, соответствующей этому пику спектра, а ℓ – толщина кюветы, в которой находится исследуемый раствор.

По виду спектра можно также изучать строение молекул, их конформацию, подвижность молекул и их частей, взаимодействие молекул.

Спектральный анализ обладает рядом преимуществ, определивших его широкое применение в фармации, медицине, биологии, биофизике и биохимии. Это его огромная информативность, быстрота проведения исследований ( экспресс – анализ), высокая чувствительность – до 10^-6 моль/л, малые пробы – небольшое количество материала, требуемого для анализа.