Введение

1. Классификация спектроскопических методов

Спектроскопические методы анализа основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, приводящем к различным энергетическим переходам – электронным, колебательным, вращательным, а также переходам, связанным с изменением направления магнитного момента электронов или ядер.

В зависимости от частиц, формирующих аналитический сигнал, различают методы молекулярной и атомной спектроскопии, а в зависимости от характера формирования аналитического сигнала – эмиссионные, абсорбционные и люминесцентные методы.

Электромагнитное излучение представляет собой вид энергии, распространяющейся в вакууме со скоростью около 300 000 км/с, которая может выступать в форме ультрафиолетового, видимого, инфракрасного излучения, микро- и радиоволн, гамма- и рентгеновских лучей (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Области электромагнитного спектра

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу (волновую и квантовую), поэтому может быть охарактеризовано волновыми (длина волны – λ, частота колебаний – ν, волновое число – ) и квантовой (энергия кванта – Е) характеристиками.

Длина волны λ – расстояние, которое проходит электромагнитная волна за время одного периода. В СИ измеряется в метрах (м) и его долях - сантиметрах (см), миллиметрах (мм), нанометрах (1 нм = 10^–9 м). До введения СИ длину волны выражали в ангстремах (1 Å = 0,1 нм = 10^–10 м).

Период Т – время (с), в течение которого совершается полный цикл изменения напряженности электромагнитного поля.

Частота колебаний ν – число колебаний в секунду. Измеряется в герцах (Гц), килогерцах (1 кГц = 10³ Гц), мегагерцах (1 мГц = 10⁶ Гц) и т. д.

Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением:

(1.1)

где с — скорость света (3·10¹⁰ см/с).

Волновое число – величина, обратная длине волны. Обычно измеряется в обратных сантиметрах (см^–1).

Энергия Е единичного кванта связана с длиной волны или частотой электромагнитного излучения уравнением Планка:

(1.2)

где: h – постоянная Планка (6,62^.10^–34, Дж ·с).

Уравнение показывает: чем меньше длина волны излучения, тем больше энергия (Е) единичного кванта.

Излучение называется монохроматическим, если его фотоны имеют одну и ту же энергию. Полихроматическое излучение состоит из фотонов различной энергии. Распределение интенсивности полихроматического излучения по длинам волн (энергиям, частотам) называется спектром.

Спектроскопические методы анализа позволяют получать и исследовать сигналы в различных областях спектра электромагнитных волн: от коротких рентгеновских до длинных радиоволн (рис.1.1). С отдельными областями электромагнитного спектра связаны различные методы анализа. В таблице (см. табл. 1.1) приведен обзор спектроскопических методов анализа, показана их связь с соответствующими областями электромагнитного спектра и характером процессов, протекающих при взаимодействии излучения с веществом.

В химическом анализе наиболее широко используется оптический диапазон электромагнитного спектра. Он состоит из трех областей: ультрафиолетовой (УФ) – 200–400 нм; видимой – 400–800 нм; инфракрасной (ИК) – 800–40 000 нм. Иногда методы анализа, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением оптического диапазона длин волн, называют оптическими.

Таблица 1.1. Классификация спектроскопических методов

Спектроскопические методы	Область электромагнитного спектра	Свою энергию изменяют
Ядерно-физические	0,005–1,4 Å	Ядра
Рентгеновские	0,1–100 Å	Внутренние электроны
Вакуумная УФ-спектроскопия	10–180 нм	Валентные электроны
УФ-спектроскопия	180–400 нм	Валентные электроны
Спектроскопия видимой области	400–780 нм	Валентные электроны
Ближняя ИК-спектроскопия	780–2500 нм	Молекулы (колебательная энергия)
ИК-спектроскопия	4000–400 см–1	Молекулы (колебательная, вращательная энергия)
Микроволновая спектроскопия	0,75–3,75 мм	Молекулы (вращательная энергия)
Электронный парамагнитный резонанс	~3 см	Неспаренные электроны в магнитном поле
Ядерный магнитный резонанс	0,6–10 м	Ядерные спины в магнитном поле