2.1. Загальні принципи оптичної спектроскопії

Частинка речовини (атом, молекула) може перебувати тільки у певних енергетичних станах. Перехід частинки з одного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням кванта світла - фотона (рис.2.1).

Рис.2.1. Енергетичні рівні речовини

Кожному переходу відповідає спектральна лінія - сукупність всіх фотонів однієї частоти.

Відбуватися можуть не всі переходи. Деякі з них заборонені правилами відбору. Найбільш ймовірними є резонансні переходи - з першого збудженого рівня на основний і навпаки. Цим переходам відповідають резонансні лінії (Е_о→Е₁^* та Е₁^*→Е_о).

Основні характеристики спектральних ліній:

1. Довжина хвилі (λ) або частота (ν) лінії використовуються для якісного аналізу і визначаються енергією переходу:

, (2.3)

де ΔЕ – енергія переходу; E_п і E_к – енергії вихідного і кінцевого стану частинок; h – стала Планка; с – швидкість світла.

Предметом нашого розгляду є оптичні методи аналізу, які використовують електромагнітне випромінювання оптичного діапазону, яке охоплює довжини хвиль (1 - 1·10⁵ нм) і складається з ультрафіолетової, видимої і інфрачервоної областей. Це випромінювання пов'язане з процесами, які відбуваються з участю зовнішніх (оптичних, валентних) електронів атомів, і з просторовою будовою молекул.

В ультрафіолетовій та видимій ділянках як якісну характеристику використовують довжину хвилі λ, а в інфрачервоній - хвильове число: (величину, обернену до довжини):

. (2.4)

Довжина хвилі вимірюється в нанометрах (1 нм=10^-9 м) або ангстремах (1 Å = 10^-10 м), хвильове число - в см^-1.

2. Інтенсивність лінії - кількісна характеристика. Вона визначається кількістю енергії, яку випромінює чи поглинає частинка за одиницю часу.

Випромінювання, яке складається з електромагнітних коливань певної довжини хвилі називається монохроматичним. Частіше випромінювання складається з електромагнітних коливань різних довжин хвиль. Сукупність довжин хвиль, частот або енергій фотонів, з яких складається випромінювання даної частинки називається спектром.

2.2. Класифікація спектрів

Залежно від типу взаємодії електромагнітних коливань з речовиною виникають спектри випромінювання і спектри поглинання.

Спектри випромінювання (E_п > E_к) поділяються на:

- емісійні спектри, що випускаються термічно збудженими частинками;

- спектри люмінесценції, які випускаються нетермічно збудженими частинками (під дією енергії електромагнітного випромінювання, електричного поля, енергії хімічної реакції та ін.).

Спектри поглинання (абсорбційні спектри) зумовлені переходами, при E_п < E_к.

Залежно від природи частинок спектри поділяють на суцільні (безперервні), смугасті (молекулярні) та лінійчасті (атомні) (рис.2.2).

Рис.2.2. Види спектрів:

а) суцільний; б) смугастий; в) лінійчастий

Випромінювання суцільного спектра складається з сукупності електромагнітних хвиль, довжини яких змінюються безперервно. Смугастий спектр складається з декількох смуг, в межах яких довжини хвиль змінюються безперервно, розділених інтервалами відсутності випромінювання. Лінійчасті спектри характеризуються сукупністю випромінювання певних довжин хвиль.