Spektroskopie

Lineární viditelné spektrum

Spektroskopie je fyzikální obor, který se zabývá studiem interakce světla s látkou, tedy elektromagnetického záření se vzorkem. Jejím cílem je získat optické spektrum, tedy závislost intenzity látkou absorbovaného, odraženého, emitovaného nebo rozptýleného záření na vlnové délce.

Historie

Animace rozkladu světla pomocí optického hranolu.

Zakladatelem spektroskopie je Jan Marek Marci a po něm sir Isaac Newton, který pomocí optického hranolu objevil monochromatické světlo. Také si všiml, že čím čistější monochromatické světlo získává, tím slabší je jeho intenzita. Tuto skutečnost překonaly až lasery a synchrotrony. První spektrometr vytvořili Kirchhoff a Bunsen v roce 1860.

Základní pojmy

Absorpce a emise záření

Lihový plamen a jeho spektrum

Interakce záření s hmotou může nastat několika způsoby. Atom nebo molekula mohou záření pohltit (absorpce), naopak energii uvolnit ve formě záření (emise) nebo mohou záření pohltit a po čase jej opět emitovat (fluorescence a fosforescence).

Vlnová délka záření

Základní fyzikální vlastností látek je, že pohlcují záření určitých vlnových délek. Absorbované nebo emitované spektrum pak není spojité, ale skládá se z mnoha linií (čar nebo pásů), které jsou pro každou látku specifické. Neexistují dvě chemicky odlišné látky, které by měly stejné absorpční nebo emisní spektrum. V plynné fázi mají spektra atomů podobu separovaných linií, v případě molekul sdružených do pásů. V kapalné a pevné fázi pozorujeme spektra pásová.

Ve vzdálené infračervené oblasti odpovídá každá linie spektra změně rotace molekuly. Ve střední a blízké infračervené oblasti odpovídá každá linie spektra změně vibrace a rotace molekuly. Ve viditelné a ultrafialové oblasti spekter dochází k přeskokům elektronů mezi orbitaly různých energií ve vnějších slupkách atomových nebo molekulových orbitalů. V oblasti rentgenového záření dochází ke změnám ve vnitřních slupkách atomů. Radioaktivní záření gama vede k přeskokům jaderných částic mezi jednotlivými energetickými hladinami jádra.

Se zkracující se vlnovou délkou záření se zvyšuje jeho energie a také účinek záření na atomy a molekuly. Zatímco radiové vlny svým dopadem ovlivní jen orientaci jaderného spinu a účinek na molekulu je téměř nulový, tak gama záření je schopno zničit i atomová jádra.

Typ zářeníVlnočet
(cm−1)
FrekvenceEnergie
(kJ/mol)
Interakce s hmotou
Záření gama (γ)108 – 10103×1018 Hz – 3×1020 Hz106 – 108Rozpady atomových jader
Rentgenové záření (RTG)106 – 1083×1016 Hz – 3×1018 Hz104 – 106Ionizace
Ultrafialové záření (UV)104 – 1063×1014 Hz – 3×1016 Hz100 – 104Přechody elektronů
Viditelné záření (VIS)100 – 1043×1012 Hz – 3×1014 Hz1 – 100Přechody elektronů
Infračervené záření (IR)1 – 10030 GHz – 3×10120,01 – 1Vibrace molekul
Mikrovlnné záření (MW)0,01 – 1300 MHz – 30 GHz10−4 – 0,01Rotace molekul
Rádiové záření (LW)10−4 – 0,013 MHz – 300 MHz10−6 – 10−4Přechody jaderného spinu

Aplikace

  • Elektromagnetická spektroskopie – měření intenzity elektromagnetického záření v závislosti na frekvenci nebo vlnové délce. Do této oblasti spadá řada spektrálních oblastí a měřicích technik.
  • Ramanova spektroskopie - měření spektra elektromagnetického záření rozptýleného díky Ramanově jevu (neelastický rozptyl). Rozptýlené záření má mírně odlišnou vlnovou délku než záření dopadající, neboť část energie se spotřebuje na vibračních přechodech molekuly. Tato spektroskopická technika poskytuje informace o struktuře a prostorovém uspořádání molekuly.
  • Spektrometrie s Fourierovou transformací je založena na matematické transformaci interferogramu (závislosti intenzity signálu na dráhovém rozdílu paprsků) získaného detekcí signálu vystupujícího z interferometru. Interferující paprsky putují přes kyvetu se vzorkem. Spektrometry Fourierova typu jsou v současné době poměrně hodně rozšířeny.
  • Infračervená spektroskopie (Zeslabený úplný odraz)
  • UV/VIS spektroskopie
  • Atomová absorpční spektroskopie
  • Rentgenová fluorescence
  • NMR spektroskopie využívající jaderné magnetické rezonance – určuje rozložení atomů v okolí jader s nenulovým jaderným spinem (1H, 13C, 31P, …)
  • Elektronová paramagnetická rezonance – měření částic obsahujících nepárové elektrony.
  • Analytická chemie a forenzní chemie - využívají RTG záření, případně UV/VIS nebo IR spektroskopii.
  • Fluorescence - používá se například k zobrazování otisků a také k DNA značení při hledání otcovství.

Literatura

  • Prosser, Václav, Experimentální metody biofyziky, 1. vyd. Praha : Academia, 1989, ISBN 80-200-0059-3.
  • Amesz A., Hoff, A.J. Biophysical Techniques in Photosynthesis. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 411 pp., (chapter 1-6, 9-11, 13, 18-20), 1996. ISBN 0-7923-3642-9.
  • Atkins, P., de Paula, J. Fyzikální chemie. VŠCHT Praha, 1. vydání, 2013. ISBN 978-80-7080-830-6.
  • Lakowicz R. J., Principles of Fluorescence Spectroscopy. 2006. ISBN 0-387-31278-1.
  • Gauglitz, G., Vo-Dinh, T. Handbook of spectroscopy. 2014. ISBN 978-3-527-32150-6.
  • Valeur B., Bronchon J.-C. New trends in fluorescence spectroscopy. Application to chemical and life sicences. Berlin, 2001. ISBN 3-540-67779-8.
  • Seriál o detektivní chemii v brožuře KSICHTu

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Light dispersion conceptual.gif
This is a conceptual animation of the dispersion of light as it travels through a triangular prism.

In vacuum (shown in black), light of any wavelength will travel at a fixed speed, c. But light slows down in a different medium (such as glass or water), and light of shorter wavelengths (like indigo) will tend to travel slower than light of longer wavelengths (like red)

This model attempts to convey this fact and its consequences by idealizing light as small particles travelling in space. Of course, light is not made of small particles but of electromagnetic waves, so keep in mind this conceptual aspect of the image to avoid any misconceptions about the nature of light itself. For our purposes, however, the model will suffice.

White light, represented here by white dots, is actually made out of light of several frequencies (colors) travelling together. These basic frequencies of visible light are part of what we call visible spectrum, and it is only tiny part of the entire electromagnetic spectrum.

As white light enters a medium (in this case, the prism), each of its composing wavelengths will travel at a different speed in the new medium, and this change in speed is what bends the path in which light is travelling. This is the phenomenon we call refraction. The ratio between the speed of light in vacuum and the speed of light in a medium is what we call index of refraction, and this value is specific for a given wavelength and medium.

Since light of different wavelengths will change direction by a different amount, we will experience a division of white light in its composing spectral colors, represented here by colored dots. This is what we call dispersion.

Once the basic frequencies are separated in this animation, we can easily see the difference on their speeds. Red, with a long wavelength, passes through almost without any change, whereas indigo (with short wavelength) is left behind by all the other colors. However, this difference in speed does not hold in vacuum, and this can be seen on how all light exiting the prism will once again travel at the constant speed of light in vacuum.

This is all just an easy way of seeing it, so it is important to stress once again the fact that this model is not entirely accurate, as light is not made of little round particles, and white light can't exist on its own (as can be misunderstood from the big white dots).
Linear visible spectrum.svg
A linear representation of the visible light spectrum. Colour ranges were taken from 'CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts' (see w:Visible spectrum). Spectral XYZ locus coordinates were found here. Every 10nm, the spectral locus point was used as the initial point in a search for a matching sRGB colour (assuming "Dim" viewing condition). The search was carried out by a binary search along a line in JCh space between the spectral point, and a point with 0.3 * brightness (J), 0 chroma (C), and the same hue (h) as the spectral point. The search finished when a point was found that was in sRGB space. The CAT02 matrix was modified as suggested in Brill(2008) to reduce yellow-blue problems by replacing the bottom row (0.0030, 0.0136, 0.9834) with (0,0,1). An iterative smoothing was carried out to eliminate the largest jumps in chroma (greater than 5% change). Code used to generate the colour gradient can be found here.