21.Взаимодействие вещества с электромагнитным излучением. Явление поглощения, испускания, флуоресценции, рассеяния и др.

Взаимодействия бывают: упругие и неупругие.

Неупругие взаимодействия между излучением и веществом какого-либо чувствительного образца, сопровождается обменом энергии. При этом происходят различные явления, положенные в основу самых разнообразных методов:

1)поглощение (абсорбция). Если образец содержит какие-либо молекулы, атомы, ионы, для которых разность энергии в возбужденном и в основном состоянии в точности совпадает с энергией фотонов потока Е = Е₁ – Е₀ = h*Ʋ то энергия потока будет поглощаться. При этом молекула, атом или ион будет переходить на более высокое состояние, т.е. на более высокий энергетический уровень. При поглощении в основное состояние частица будет терять избыточную энергию в виде тепла. Метод, в основе которого лежит явление поглощения электромагнитного излучения, называется абсорбционной спектроскопией.

2)испускание (эмиссия). Если образец содержит какие-либо частицы, которые способны переходить в возбужденное состояние поглощения тепло или какой-либо другой вид энергии, не являющейся электромагнитным, то возвращение этих частиц в основное состояние или на более низкий возбужденный уровень может сопровождаться испусканием, т.е. эмиссией электромагнитного излучения. Эмиссионная спектроскопия основана на измерении энергии испускания излучения.

3)люминесценция (флуоресценция) возникает при поглощении образцом энергии возбуждения. Возбуждение может быть в химических реакциях, при обработке электрическим полем, при обработке проникании радиации вещества и т.д. Возбуждение электромагнитным излучением называется фотолюминесценция. Частица образца, поглощая энергию потока электромагнитного излучения, сначала переходит в возбужденное состояние. Дальше молекула возвращается, проходя через самый низкий колебательный уровень возбужденного состояния, и далее до любого колебательного уровня основного состояния. Кратковременная люминесценция, которая затухает сразу после прекращения ее возбуждения, называется флуоресценцией. А длительная люминесценция, которая продолжается какое-то время после прекращения возбуждения, называется фосфоресценция.

4)Рассеяние - изменение характеристик потока оптического излучения (света) при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света.

Упругие взаимодействия. При них не происходит обмена энергиями (нету излучения частицами вещества), а только меняется направление распространения электромагнитных волн, и тоже самое касается эквивалентных им частиц. Энергия остается неизменной. Это явления: отражения, преломления, рассеяния, дифракция.

Дифракция характеризует отклонение при распространении электромагнитных и прочих волн от законов в геометрической оптике. Например, когда человек слышит разговор, происходящий где-то за углом, потому что волны огибают это препятствие.

22.Атомные и молекулярные спектры. Измеряемые величины методов. Получение и регистрация спектров. Средства измерения и контроля. Классификация методов.

Спектр – совокупность различных значений, которые может принимать данная физическая величина. В спектроскопических методах анализа под электромагнитным спектром понимают функцию распределения фотонов по энергиям – зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих этой энергией. Графически электромагнитный спектр можно изобразить в виде кривой, по оси абсцисс которой отложено одна из величин, характеризующих энергию квантов, а по оси ординат – интенсивность излучения, либо оптическую плотность А.

АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ, оптические спектры, получающиеся при испускании или поглощении электромагнитного излучения свободными или слабо связанными атомами (напр., в газах или парах). Являются линейчатыми, т.е. состоят из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения v, которая соответствует квантовому переходу между уровнями энергии Ei и Ek атома согласно соотношению: hv = Ei-Ek где h-постоянная Планка

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ, спектры испускания и поглощения электромагнитного излучения и комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным молекулам. Имеют вид совокупности полос (линий) в рентгеновской, УФ, видимой, ИК и радиоволновой (в т.ч. микроволновой) областях спектра. Положение полос (линий) в спектрах испускания (эмиссионных молекулярных спектров) и поглощения (абсорбционных молекулярных спектров) характеризуется частотами v (длинами волн l = c/v, где с-скорость света) и волновыми числами.

Измеряемые величины методов.

Большинство наших сведений о структуре атомов и молекул получено результате спектроскопических исследований. Анализ спектров позволяет получить параметры исследуемого излучения, определяющиеся свойствами атомной системы и ее взаимодействием с окружающей средой. К таким параметрам относятся:

• Частота или длина волны спектральных линий, позволяющая определить уровни энергии атомной или молекулярной системы.

• Интенсивность линии, пропорциональная вероятности перехода, которая является мерой того, насколько сильно связаны два уровня атомного (молекулярного) перехода. Так как вероятность перехода зависит от волновых функций обоих уровней, то измерения интенсивности полезны для уточнения пространственного распределения электрического заряда, которое пока может быть лишь довольно грубо рассчитано с помощью приближенных решений уравнения Шредингера.

• Ширина и сдвиг спектральных линий: при этом естественная ширина позволяет определить времена жизни возбужденных состояний атомных систем; доплеровская ширина линии дает распределение скоростей излучающих или поглощающих атомов и температуру исследуемого объекта.

• Расщепление спектральных линий во внешних магнитном и электрическом полях дают важный способ измерения магнитных и электрических моментов и выяснения типа связи различных угловых моментов в атомах и молекулах.

Получение и регистрация спектров.

 Анализируемый спектр получается путем регистрации флуоресценции после воздействия на исследуемое вещество каким-либо излучением (рентгеновским или лазерным излучением, искровым воздействием и др.). Для регистрации спектра могут использоваться полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счётчики, либо детекторы на базе ПЗС линейки или ПЗС матрицы. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме. При интерпретации спектров в большинстве случаев производится сравнение полученного спектра со спектром вещества известного состава. Ранние спектроскопы представляли собой простые призмы с градуировкой, обозначающей длины волн света, в современных приборах также используется дифракционная решётка.

Средства измерения и контроля.

Приборы для спектроскопических измерений имеют следующие основные узлы:

1)источник излучения

2)монохроматор (устройство, которое выделяет определённую узкую полосу частот или длин волн из общего потока излучения).

3) ячейка с образцом

4)детектор, который преобразует энергию излучения в электрическую энергию.

5)регистрирующее устройство.

Классификация методов.

Классифицируются по ряду признаков:

1)По области электромагнитного излучения:

-микроволновая спектроскопия

-Инфракрасная спектроскопия

-видимая спектроскопия

-Ультрафиолетовая спектроскопия

-рентгеновская спектроскопия и т.д.

2)По характеру взаимодействия излучения с веществом, т.е. по принципу или явлению лежащему в основе метода выделяют:

-спектроскопия поглощения (абсорбционная спектроскопия)

-спектроскопия испускания (эмиссионная)

-спектроскопия флуоресценции (флуоресцентная)

-спектроскопия рассеяния

-спектроскопия отражения и т.д.

3)По характеру исследуемого объекта:

-атомная спектроскопия

-молекулярная спектроскопия

-ядерная спектроскопия

-ионная спектроскопия

4)По фазовому состоянию исследуемого объекта:

-газовая спектроскопия

-спектроскопия твёрдого тела и т.д.