Електромагнитна спектроскопия

Електромагнитна спектроскопия е разлагането и анализирането на спектри, които възникват при поглъщане или излъчване на кванти електромагнитно излъчване. Електромагнитната спектроскопия включва използването на спектроскоп, спектрограф или спектрофотометър.

Видове измервани електромагнитни излъчвания

Измерването може да бъде във всеки един обхват на дължини на вълната:

• Радиовълни
• Микровълни
• Инфрачервени лъчи
• Видима светлина
• Ултравиолетови лъчи
• Рентгенови лъчи
• Гама лъчи

Видове електромагнитна спектроскопия

Емисионна спектроскопия

Емисионната спектроскопия изследва електромагнитния спектър на излъчване изпускан от атоми или молекули, които претърпяват преход към по-ниско енергийно ниво. Такъв процес се нарича флуоресценция или при определени условия фосфоресценция. Обикновено емисионната спектроскопия засяга видимата светлина и по-къси дължини на вълните, тъй като флуоресценцията е по-малко вероятно да възникне при дълги дължини на вълните. Виж още: спонтанна емисия. Примери:

• Флуоресцентна спектроскопия
• Емисионна спектроскопия на пламък
• Лазерна спектроскопия
• Рентгенова флуоресцентна спектроскопия
• Спектроскопия на звезди

Емисионната спектроскопия се използва много в астрономията и дистанционното сондиране. Повечето големи телескопи имат като приставка спектрограф, който се използва за определяне на химическия състав и физическите свойства на астрономическите обекти или за определяне на техните скорости като се измерва отместването на спектралните им линии вследствие на ефекта на Доплер.

Абсорбционна спектроскопия

Абсорбционната спектроскопия е изучаването на електромагнитните спектри, погълнати от атоми или молекули, които променят енергийното си състояние. Обикновено се използва като аналитична техника, например специфични химични съединения имат специфичен спектър на поглъщане, което се използва като "детектор" на изследваното вещество. Още повече, интензивността на поглъщане на дадена спектрална линия, ивица и др. е свързана с количеството на даденото химично съединение в изследваното вещество. Абсорбционната спектроскопия може да се използва за определяне на концентрацията на химически елементи и съединения в мостри.

Примери за абсорбционна спектроскопия:

• Вибрационна спектроскопия - абсорбция на инфрачервено излъчване, използва се като аналитично средство за химически анализ на веществата - вж. инфрачервена спектроскопия
• Атомна абсорбционна спектроскопия - използва се като аналитично средство
• UV-VIS абсорбционна спектроскопия - поглъщане на ултравиолетови лъчи и видима светлина, използва се като техника за химически анализ на веществата
• Мьосбауерова спектроскопия - Измерва поглъщането на гама лъчи от свързани атоми (в твърди тела) като функция на енергията на гама лъчите. Това не е аналитична техника, а средство за изучаването на определени процеси в материята.

Други техники

Електромагнитното излъчване може да взаимодейства с материята и по по-различни начини от простото поглъщане (абсорбция) или излъчване (емисия). Съществуват следните спектроскопски методи:

• Спектроскопия на базата на кръгов дихроизъм - измерва ефекти на мострата върху поляризирането на светлината.
• Магнитен кръгов дихроизъм
• Ядрен магнитен резонанс - измерва резонантната абсорбция на радиочестотното излъчване на ядра в силно магнитно поле. Абсорбционният пик съответства на преходи в спиновите състояния на ядрата на изследваните молекули.
• Електронно-спинов резонанс - подобен на ядрения магнитен, но детектиращ електрони.
• Раманова спектроскопия - Една молекула може да абсорбира част от енергията на фотона, по-точно поглъща фотон с една енергия, а излъчва друг фотон с по-ниска енергия. Количеството абсорбирана енергия, съответства на инфрачервения преход на молекулата, въпреки че фотона може да има дължина на вълната във видимата част на спектъра.
• Спектроскопия на Щарк - изследва ефекти на електрическото поле върху спектъра.

Примери

Спектър на слънчевата светлина

При взаимодействието си с електромагнитно излъчване материята едновременно го поглъща, отразява и разсейва в различна степен и в различни части на спектъра. Човек възприема цвета на даден излъчващ обект в зависимост от неговата т.нар. цветната температура, която се определя според закона на Планк. За целите на практиката светлината на всяка електрическа крушка се характеризира с „корелирана“ (съотнесена с излъчването на абсолютно черно тяло) цветна температура, измервана в келвини. Например, 2800 К е цветната температура на стайното осветление, а 6000 К е на ярък слънчев ден.

Колкото е по-висока температурата на излъчващото тяло, толкова по-къса е средната видима дължина на вълната. Слънцето, което има температура на повърхността от около 6000 K, излъчва най-силно във видимата част от спектъра. От слънчевия спектър липсват определени дължини на вълните, което е резултат на поглъщане от страна на химичните елементи, съставящи хромосферата на Слънцето. От точните стойности на тези липсващи от спектъра части или "абсорбционни спектрални линии", може да се определи кои елементи се съдържат в Слънцето (качествен спектрален анализ). Фактът, че тези елементи са абсорбирали излъчването означава, че хромосферата е по-студена от фотосферата.

Стандартните абсорбционни спектри обаче не могат да дадат количествена информация за наличието на всички елементи. Това е така, защото водородът и хелият (главните съставки на слънцето) се нуждаят от много повече енергия, за да се възбудят достатъчно и да абсорбират също толкова светлина, колкото другите елементи с по-голям атомен номер (например калцият). Така, въпреки че хелият и водородът са в много по-голямо количество, много малък процент от тях се възбужда достатъчно за да се регистрират в спектъра. За да се получи по-добро разбиране за наличието на тези елементи, е необходимо изучаването на емисионните спектри на елементите само от хромосферата. Това е възможно да стане когато голямата част от Слънцето е напълно закрито по време на слънчево затъмнение. По това време емисионният спектър на хромосферата съдържа преобладаващо водород, който е и главната съставна част на Слънцето.

Абсорбция от атмосферата

Веществата в земната атмосфера поглъщат част от слънчевата светлина, която минава през нея. Това е измервано на морското равнище и на различни височини. Прави се оценка на приликата на спектъра над атмосферата и поглъщането в атмосферата. Конкретните измервания над атмосферата изискват измервания от космически апарати. Това е показано на следните диаграми.

• 

  Спектър на слънчевата радиация.

Вижте още

• Електромагнитен спектър
• Спектроскопия