Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Widma absorpcyjne różnych substancji mogą dostarczyć nam informacji o ich składzie chemicznym, budowie cząsteczkowej i atomowej. Dziedzina spektroskopii zajmuje się ich wytwarzaniem i analizą. Zdobytą w ten sposób wiedzę możemy wykorzystać do opracowania i uzyskania nowych materiałów o ciekawych właściwościach, co pozwoliło nam stworzyć nowoczesne samoloty, katalizatory spalin, ogniwa fotowoltaiczne czy akumulatory litowo-jonowe.
Spektroskopia
Badanie widm atomowych jest przydatne nie tylko w materiałoznawstwie - analiza spektroskopowa ma również fundamentalne znaczenie w pracy konserwatorów dzieł sztuki. To między innymi pozwala zrozumieć, dlaczego kuchenka mikrofalowa działa.
Ryż. 1. Możemy bezpiecznie badać dzieła sztuki za pomocą spektroskopii absorpcyjnej. Źródło zdjęcia: http://monalisa.org/
Słowo widmo pochodzi od łacińskiego słowa spektrum, oznaczającego wygląd, widok lub obraz, a także ducha lub zjawę. „Spektroskopia” to natomiast metoda uzyskiwania i badania widm, czyli zależności wielkości fizycznych od długości fali, częstotliwości lub energii światła. Dlatego określenie „spektroskopia absorpcyjna” będzie używane do opisania metod badawczych, których celem jest uzyskanie widma absorpcyjnego substancji.
Zauważ, że pisząc o metodach spektroskopowych używamy liczby mnogiej - nie ma jednej metody zwanej "spektroskopią absorpcyjną" . W zależności od długości fali użytego światła można mówić o różnych typach spektroskopii absorpcyjnej (i różnych widmach absorpcyjnych).Przykłady (nie wszystkie!) tej rodziny przedstawiono w tabeli 1.
| Rodzaj użytego promieniowania | Nazwa metody |
| RTG | Spektroskopia absorpcyjna promieniowania rentgenowskiego |
| UV i widzialne | Spektroskopia UV-VIS (spektroskopia UV-VIS) |
| Podczerwień | Spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni |
| Mikrofalówka | Mikrofalowa spektroskopia absorpcyjna |
| Fala radiowa | Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego. Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego. |
Zanim przejdziemy dalej, przypomnijmy sobie czym jest widmo absorpcyjne - uzyskuje się je oświetlając substancję określonym promieniowaniem i badając promieniowanie przechodzące przez tę substancję.Innymi słowy, jeśli obserwujemy brak pewnych długości fal w widmie absorpcji w porównaniu z promieniowaniem padającym, oznacza to, że te długości fal zostały pochłonięte przez materiał.
Schemat metody absorpcji pokazany jest na rys. 2, a przykład widma absorpcyjnego pokazano na ryc. 3. Jest to widmo absorpcji promieniowania słonecznego, uzyskiwane, gdy promieniowanie słoneczne wytwarzane głęboko wewnątrz gwiazdy przechodzi przez warstwy gazu. Widoczne czarne linie wskazują, że część promieniowania została pochłonięta.
Ryż. 2. Schemat typowej metody absorpcyjnej (absorpcyjnej)
Ryż. 3. Widmo absorpcyjne promieniowania słonecznego. Źródło rysunku: https://ru.wikipedia.org/wiki/Absorption_spectroscopy
Różne rodzaje spektroskopii absorpcyjnej to potężne narzędzia do badania różnych właściwości materiałów. W Tabeli 2 podaliśmy przykłady informacji, które można uzyskać badając widma absorpcyjne w różnych zakresach widmowych.
| Rodzaj użytego promieniowania | Aplikacja |
| RTG | Badanie ułożenia atomów względem siebie w bardzo małych odległościach, badanie składu chemicznego próbki i stopnia utlenienia pierwiastków |
| UV | Badanie składu chemicznego próbki, badanie stężenia roztworów |
| Widoczny | Badanie składu chemicznego gwiazd i obłoków międzygwiazdowych, badanie struktury elektronowej ciał stałych, badanie składu chemicznego próbki, badanie stężenia roztworów |
| Podczerwień | Badanie składu chemicznego gazów, badanie rodzajów wiązań między atomami, dla związków organicznych: określanie rodzajów grup funkcyjnych przyłączonych do łańcucha węglowego |
| Mikrofalówka | Wyznaczanie długości wiązań i kątów między atomami |
| Fala radiowa | Badanie ułożenia atomów względem siebie w bardzo małych odległościach, badanie stopnia utlenienia pierwiastków w próbce |
Aplikacja
W Tabeli 2 prezentujemy typowe naukowe zastosowania spektroskopii absorpcyjnej. Spróbujmy jednak odpowiedzieć na pytanie – w jaki sposób badane właściwości mogą nam się przydać? Jaki pożytek możemy czerpać ze znajomości wzajemnego ułożenia atomów w materiale lub rodzajów wiązań chemicznych? Innymi słowy, dlaczego te metody są tak ważne?
Odpowiedź jest bardzo ogólna - znajomość tych aspektów pozwala w szczególności powiązać różne właściwości materiałów z ich budową atomową. Wiedząc, w jaki sposób właściwości i struktura materiału są ze sobą powiązane, możemy spróbować zmienić tę strukturę, a tym samym poprawić właściwości materiałów.Dzięki temu jesteśmy teraz w stanie produkować bardzo mocne i bardzo lekkie materiały kompozytowe, które są wykorzystywane np. w budowie samolotów, coraz bardziej zaawansowanych przewodników elektrycznych, katalizatorów rozkładu spalin samochodowych, akumulatorów litowo-jonowych , ogniw fotowoltaicznych lub czujników spalin lub innych gazów toksycznych.
Badając właściwości różnych materiałów za pomocą technik spektroskopii absorpcyjnej, możemy opracować nowe materiały o ulepszonych właściwościach. Na przykład samolot Boeing 787-8 jest lżejszy od swoich poprzedników dzięki zastosowaniu w jego konstrukcji nowoczesnych materiałów kompozytowych.
Jednak zastosowanie spektroskopii absorpcyjnej nie ogranicza się do materiałoznawstwa. Weźmy przykład z zupełnie innej dziedziny - sztuki! Badając różne dzieła malarskie, historycy są zainteresowani odpowiedziami na następujące pytania: czy obraz, który dziś widzimy, jest tym, który pierwotnie namalował artysta? Jaka była technika rysowania? I na koniec równie ważne pytanie - czy ten obraz jest oryginałem, czy bardzo dobrze wykonaną kopią? Techniki spektroskopii absorpcyjnej mogą dostarczyć odpowiedzi na te pytania!
W historii sztuki często zdarzało się, że np. artysta otrzymał od swego patrona zlecenie namalowania pierwszej wersji danego obrazu. Jeśli mecenas nie był zadowolony z efektu, artysta zamalowywał lub przerysowywał fragmenty obrazu. Zdarza się również, że pigmenty stosowane w farbach nie przetrwały próby czasu i w wyniku reakcji chemicznych zmieniły swój kolor – np. ciemnozielona farba może brązowieć. W końcu zdarza się, że dzieło pierwotnego artysty jest następnie „korygowane” przez innych. Takie zmiany dotknęły np. słynną „Damę z gronostajem” Leonarda da Vinci, gdzie tło za postacią zostało zamalowane na czarno, a sama dama i gronostaje zostały wyretuszowane. Aktualna wersja obrazu jest pokazana na rysunku 4.
Ryż. 4. Dama z gronostajem. Autor obrazu: Leonardo da Vinci. Leonardo da Vinci, domena publiczna za pośrednictwem Wikimedia Commons
Na ryc. Rycina 5 przedstawia fragment gronostaja widziany w podczerwieni. Ciemne obszary silnie pochłaniają to promieniowanie, jasne słabo.
Większa absorpcja w danym obszarze może wskazywać, że pod widoczną warstwą może znajdować się wcześniejsza wersja obrazu - w tym przypadku ciemniejsza linia wokół pyska zwierzęcia wskazuje, że w oryginalnej wersji był on nieco większy obrazu.
Ryc.5. Część gronostaj w podczerwieni. Źródło
Z drugiej strony na ryc. 6 przedstawia wykorzystanie absorpcji UV. Obraz pochłania promieniowanie ultrafioletowe i emituje promieniowanie w świetle widzialnym. Skład tego światła zależy od rodzaju użytego pigmentu i jego składu pierwiastkowego. W czerwonej farbie, którą da Vinci namalował na rękawie sukni portretowanej Cecilii Gallerani, znajdują się w szczególności ołów, rtęć, żelazo i wapń. Zwróć uwagę, jak zmieniają się proporcje każdego elementu w jaśniejszych i ciemniejszych obszarach rękawa.
Ryż. 6. Fragment rękawa sukni z elementarną analizą zastosowanej farby. Źródło
Badanie składu chemicznego pigmentów pozwala również odpowiedzieć na pytanie, jaki był ich pierwotny kolor – czy kolor, który widzimy dzisiaj zmienił się pod wpływem np. warunków pogodowych. Wreszcie pozwala ustalić, czy doszło do fałszerstwa. Jeśli podczas badania obrazu stwierdzi się obecność barwników o składzie zbliżonym do stosowanych obecnie, a nie w momencie powstania obrazu, możemy być pewni, że obraz ten nie jest oryginałem.
Zmieńmy teraz temat na nieco inny - od materiałoznawstwa i sztuki przejdźmy do badania wody. Spróbujemy wyjaśnić niektóre jego właściwości na podstawie widm absorpcyjnych dla różnych zakresów promieniowania.
Wiemy, że woda jest przezroczysta w świetle widzialnym, ale ma lekko niebieskawy odcień. Dlaczego? Spójrz na ryc. 7. Przedstawia zależność współczynnika absorpcji wody (oś pionowa) od długości fali padającego promieniowania (oś pozioma).Oś pionowa jest pokazana w skali logarytmicznej.
Z wykresu można wyciągnąć dwa ważne wnioski: po pierwsze, współczynnik absorpcji nie jest wartością stałą, ale zależy od długości fali (lub częstotliwości) padającego światła! Po drugie, widzimy, że długości fal, które dają wrażenie fioletu i błękitu, są pochłaniane ponad 100 razy mniej niż te związane z czerwienią! To nadaje wodzie „niebieskawy” odcień.
Ryż. 7. Zależność współczynnika absorpcji w zależności od długości fali promieniowania. Źródło
Przeanalizujmy teraz inne widmo, tym razem w zakresie mikrofal. Pokazano to na ryc. 8. Linie przerywane na rysunku pokazują zależność tzw. strat dielektrycznych w funkcji częstotliwości promieniowania i temperatury. Straty dielektryczne są związane z absorpcją – im większe straty dielektryczne, tym większa absorpcja promieniowania.
Dlatego krzywe pokazane na rys. 8. można również nazwać widmami absorpcyjnymi, reprezentowanymi po prostu przez inne wielkości fizyczne. „Strata dielektryczna” oznacza, że energia padającego promieniowania zostanie pochłonięta przez materiał. Wiemy, że pochłonięta energia ma na celu zwiększenie intensywności drgań cząsteczek wody. Makroskopowo oznacza to, że woda pod wpływem mikrofal zwiększa swoją temperaturę.
Ryż. 8. Straty dielektryczne wody w zależności od temperatury i częstotliwości promieniowania. Źródło: Andrey Andrievsky, Svetlana M. Kuznetsova, Sergey V. Zhukovsky, Yuri S. Kivshar, Andrey V. Lavrinenko „Water: Promising Opportunities for Tunable All-dielectric Electromagnetic Metamaterials” Scientific Reports 5:13535, DOi: 10.1038/srep13535.
Czy możesz wymyślić jakieś zastosowanie dla tego zjawiska? Jest to oczywiście kuchenka mikrofalowa. Typowe urządzenie tego typu wytwarza mikrofale o częstotliwości 2,45 GHz (co odpowiada długości fali około 0,12 m).z ryc. Rysunek 8 pokazuje, że straty dielektryczne przy tej częstotliwości są niezerowe - więc woda obecna w żywności pochłania promieniowanie mikrofalowe i podnosi swoją temperaturę, co prowadzi do podgrzania całej żywności.
Analiza rys. 9 można też zadać pytanie - dlaczego w kuchenkach mikrofalowych nie stosujemy częstotliwości, gdzie straty dielektryczne są jeszcze większe - na przykład w okolicach 10 GHz? Wszakże wtedy pochłanianie promieniowania byłoby jeszcze wydajniejsze, a jedzenie szybciej by się nagrzewało! Odpowiedź wiąże się z inną właściwością promieniowania - im wyższy współczynnik absorpcji (lub strata dielektryczna), tym mniej promieniowania przenika przez materiał.
Wysoka strata dielektryczna oznacza, że większość promieniowania jest absorbowana bardzo blisko powierzchni. Dlatego, jeśli kuchenki mikrofalowe miałyby wytwarzać mikrofale o wyższej częstotliwości, wówczas podgrzewana żywność byłaby bardzo gorąca w cienkiej warstwie blisko powierzchni i stałaby się zimna w głębi. Przy niższych częstotliwościach mikrofalowych pochłonięta energia jest bardziej równomiernie rozprowadzana w żywności.
Na koniec przeanalizujmy zależność współczynnika absorpcji wody dla szerokiego zakresu częstotliwości. Rysunek 9 pokazuje zakres światła widzialnego, który omówiliśmy wcześniej. Analizując widmo w szerokim zakresie widać, że absorpcja wody w zakresie widzialnym jest bardzo słaba - woda znacznie lepiej pochłania fale z zakresu podczerwieni i mikrofal (co powoduje jej nagrzewanie) oraz z zakresu ultrafioletu .
Ryż. 9. Współczynnik absorpcji wody w zależności od długości fali promieniowania. Źródło
Dla porównania - pochłanianie w ultrafiolecie jest około miliarda razy silniejsze niż w zakresie widzialnym! Silna absorpcja w tym rejonie jest już związana z fotojonizacją wody - promieniowanie jest pochłaniane przez cząsteczki wody i powoduje wybijanie z nich elektronów.
Naszą obecność na Ziemi zawdzięczamy temu, że woda bardzo słabo pochłania promieniowanie widzialne. Gdyby woda silnie pochłaniała to promieniowanie widzialne, wszystkie zbiorniki wodne byłyby ciemne i mętne. Zapobiegłoby to rozwojowi roślin wodnych, a następnie zwierząt wodnych.
Referencje
- Elyashevich MA Widma optyczne // Encyklopedia fizyczna / Ch. wyd. AM Prochorow. - M.: Great Russian Encyclopedia, 1994. - V. 4. Efekt Poyntinga-Robertsona - Serpentyny. - S. 628-629. - 704 s. - 40 000 egzemplarzy. - ISBN 5-85270-087-8.
- Fizyka. Klasa 11: podręcznik. dla edukacji ogólnej instytucje: podstawowe i profilowe. poziomy / G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; wyd. VI Nikolaev, NA Parfenteva. - 19 wyd. - M.: Oświecenie, 2010. - 399 s.
- Malyshev, VI Wprowadzenie do spektroskopii eksperymentalnej. - M.: Nauka, 1979. - 479 s.
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, wyd. (2006). Podręcznik spektroskopii wibracyjnej . Nowy Jork: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.