Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Absorpční spektra různých látek nám mohou poskytnout informace o jejich chemickém složení, molekulární struktuře a atomové struktuře. Jejich výrobou a analýzou se zabývá obor spektroskopie. Takto získané poznatky lze využít k vývoji a získávání nových materiálů se zajímavými vlastnostmi, které nám umožnily vytvořit moderní letadla, katalyzátory výfukových plynů, fotovoltaické články nebo lithium-iontové baterie.
Spektroskopie
Studium atomových spekter je užitečné nejen v materiálové vědě - spektroskopická analýza je také zásadní v práci uměleckých restaurátorů. To vám mimo jiné umožňuje pochopit, proč mikrovlnná trouba funguje.
Rýže. 1. K bezpečnému zkoumání uměleckých děl můžeme použít absorpční spektroskopii. Zdroj fotografií: http://monalisa.org/
Slovo spektrum pochází z latinského slova spektrum, které znamená vzhled, zrak nebo obraz, stejně jako duch nebo přízrak. „Spektroskopie“ je naproti tomu metoda získávání a studia spekter, tedy závislosti fyzikálních veličin na vlnové délce, frekvenci nebo energii světla. Proto bude termín "absorpční spektroskopie" používán pro popis výzkumných metod, jejichž účelem je získat absorpční spektrum látky.
Upozorňujeme, že když píšeme o spektroskopických metodách, používáme množné číslo – neexistuje jediná metoda nazvaná „absorpční spektroskopie“. V závislosti na použité vlnové délce světla lze hovořit o různých typech absorpční spektroskopie (a různých absorpčních spektrech).Příklady (ne všechny!) této rodiny jsou uvedeny v tabulce 1.
| Typ použitého záření | Název metody |
| Rentgen | Rentgenová absorpční spektroskopie |
| UV a viditelné | UV-viditelná spektroskopie (UV-VIS-spektroskopie) |
| Infračervené | Infračervená absorpční spektroskopie |
| Mikrovlnka | Mikrovlnná absorpční spektroskopie |
| Radiovlna | Nukleární magnetická rezonanční spektroskopie. Elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie. |
Než půjdeme dál, připomeňme si, co je to absorpční spektrum – získává se osvícením látky určitým zářením a zkoumáním záření, které látkou prochází.Jinými slovy, pokud pozorujeme nepřítomnost určitých vlnových délek v absorpčním spektru ve srovnání s dopadajícím zářením, znamená to, že tyto vlnové délky byly absorbovány materiálem.
Schéma absorpční metody je na obr. 2 a příklad absorpčního spektra je znázorněn na Obr. 3. Toto je absorpční spektrum slunečního záření, které se získá, když sluneční záření produkované hluboko uvnitř hvězdy prochází vrstvami plynu. Viditelné černé čáry ukazují, že část záření byla absorbována.
Rýže. 2. Schéma typické absorpční (absorpční) metody
Rýže. 3. Absorpční spektrum slunečního záření. Zdroj obrázku: https://ru.wikipedia.org/wiki/Absorption_spectroscopy
Různé typy absorpční spektroskopie jsou mocnými nástroji pro studium různých vlastností materiálů. V tabulce 2 jsme uvedli příklady informací, které lze získat studiem absorpčních spekter v různých spektrálních rozsazích.
| Typ použitého záření | Aplikace |
| Rentgen | Studium uspořádání atomů vůči sobě na velmi malé vzdálenosti, studium chemického složení vzorku a oxidačního stavu prvků |
| UV | Test chemického složení vzorku, testování koncentrace roztoků |
| Viditelné | Studium chemického složení hvězd a mezihvězdných mračen, studium elektronové struktury pevných látek, studium chemického složení vzorku, studium koncentrace roztoků |
| Infračervené | Studium chemického složení plynů, studium typů vazeb mezi atomy, pro organické sloučeniny: určování typů funkčních skupin, které se vážou na uhlíkový řetězec |
| Mikrovlnka | Určení délky vazeb a úhlů mezi atomy |
| Rozhlasová vlna | Studium vzájemného uspořádání atomů na velmi malé vzdálenosti, studium oxidačního stavu prvků ve vzorku |
Aplikace
V tabulce 2 uvádíme typické vědecké aplikace absorpční spektroskopie. Zkusme si ale odpovědět na otázku – jak nám mohou být studované vlastnosti užitečné? K čemu nám může být znalost vzájemného uspořádání atomů v materiálu nebo typů chemických vazeb? Jinými slovy, proč jsou tyto metody tak důležité?
Odpověď je velmi obecná – znalost těchto aspektů nám umožňuje zejména vztáhnout různé vlastnosti materiálů k jejich atomové struktuře. Když víme, jak spolu souvisí vlastnosti a struktura materiálu, můžeme se pokusit tuto strukturu změnit a tím zlepšit vlastnosti materiálů.Díky tomu jsme dnes schopni vyrábět velmi pevné a velmi lehké kompozitní materiály, které se používají například při stavbě letadel, stále pokročilejší elektrické vodiče, katalyzátory pro rozklad výfukových plynů automobilů, lithium-iontové baterie , fotovoltaické články nebo senzory výfukových plynů nebo jiných toxických plynů.
Studiem vlastností různých materiálů pomocí technik absorpční spektroskopie můžeme vyvinout nové materiály se zlepšenými vlastnostmi. Například letoun Boeing 787-8 je lehčí než jeho předchůdci díky použití moderních kompozitních materiálů v konstrukci.
Aplikace absorpční spektroskopie se však neomezuje pouze na vědu o materiálech. Vezměme si příklad z úplně jiného oboru – umění! Při studiu různých malířských děl zajímají historiky odpovědi na následující otázky: je obraz, který dnes vidíme, ten, který umělec původně namaloval? Jaká byla technika kreslení? A na závěr neméně důležitá otázka – je tento obraz originálem, nebo velmi povedenou kopií? Odpovědi na tyto otázky mohou poskytnout techniky absorpční spektroskopie!
V dějinách umění se často stávalo, že umělec například dostal od svého mecenáše zakázku namalovat první verzi konkrétního obrazu. Pokud patron nebyl s výsledkem spokojen, umělec části obrazu přemaloval nebo překreslil. Stává se také, že pigmenty používané v barvách neobstály ve zkoušce času a v důsledku chemických reakcí změnily svou barvu – například tmavě zelená barva může zhnědnout. Nakonec se stává, že dílo původního umělce je následně „opravováno“ jinými. Takové změny se dotkly například slavné „Dámy s hranostajem“ od Leonarda da Vinciho, kde bylo pozadí za postavou přemalováno černě a samotná dáma i hranostaj byli retušováni. Aktuální verze obrázku je na obrázku 4.
Rýže. 4. Dáma s hranostajem. Autor obrazu: Leonardo da Vinci. Leonardo da Vinci, Public Domain prostřednictvím Wikimedia Commons
Na obr. Obrázek 5 ukazuje fragment hranostaje viděný v infračervené oblasti. Tmavé oblasti silně absorbují toto záření, světlé oblasti slabě.
Vyšší absorpce v oblasti může naznačovat, že pod viditelnou vrstvou může být starší verze obrázku – v tomto případě tmavší čára kolem obličeje zvířete naznačuje, že byl v původní verzi o něco větší obrázku.
Obr.5. Část hranostaje v infračervené oblasti. Zdroj
Na druhé straně na obr. 6 ukazuje použití UV absorpce. Obraz absorbuje ultrafialové záření a vyzařuje záření ve viditelném světle. Složení tohoto světla závisí na typu použitého pigmentu a jeho elementárním složení. V červeném nátěru, který da Vinci namaloval na rukáv šatů portrétované Cecilie Gallerani, jsou zejména olovo, rtuť, železo a vápník. Všimněte si, jak se podíl každého prvku mění ve světlejších a tmavších oblastech rukávu.
Rýže. 6. Fragment rukávu šatů s elementárním rozborem použité barvy. Zdroj
Studium chemického složení pigmentů také umožňuje odpovědět na otázku, jaká byla jejich původní barva – zda se barva, kterou dnes vidíme, změnila pod vlivem například povětrnostních podmínek. Nakonec vám umožňuje určit, zda došlo k padělání. Pokud se při zkoumání malby zjistí přítomnost barviv, která jsou svým složením podobná těm, která se používají dnes, a ne v době, kdy obraz vznikal, můžeme si být jisti, že tento obraz není originál.
Pojďme nyní změnit téma na trochu jiné - od materiálové vědy a umění přejděme ke studiu vody. Pokusíme se vysvětlit některé jeho vlastnosti na základě absorpčních spekter pro různé rozsahy záření.
Víme, že voda je průhledná ve viditelném světle, ale má lehce namodralý odstín. Proč? Podívejte se na obr. 7. Ukazuje závislost koeficientu absorpce vody (svislá osa) na vlnové délce dopadajícího záření (horizontální osa).Vertikální osa je zobrazena na logaritmické stupnici.
Z grafu lze vyvodit dva důležité závěry: za prvé, koeficient absorpce není konstantní, ale závisí na vlnové délce (nebo frekvenci) dopadajícího světla! Za druhé, vidíme, že vlnové délky, které vyvolávají dojem fialové a modré, jsou absorbovány více než 100krát méně než ty spojené s červenou! To dává vodě "namodralý" nádech.
Rýže. 7. Závislost koeficientu absorpce v závislosti na vlnové délce záření. Zdroj
Pojďme nyní analyzovat další spektrum, tentokrát v mikrovlnné oblasti. Je to znázorněno na Obr. 8. Přerušované čáry na obrázku znázorňují závislost tzv. dielektrických ztrát v závislosti na frekvenci záření a teplotě. Dielektrické ztráty souvisí s absorpcí – čím vyšší jsou dielektrické ztráty, tím vyšší je absorpce záření.
Proto křivky zobrazené na obr. 8. lze také nazvat absorpčními spektry, zjednodušeně reprezentovanými jinými fyzikálními veličinami. "Dielektrická ztráta" znamená, že energie dopadajícího záření bude absorbována materiálem. Víme, že absorbovaná energie je zaměřena na zvýšení intenzity vibrací molekul vody. Makroskopicky to znamená, že voda zvyšuje svou teplotu, když ji osvětlují mikrovlny.
Rýže. 8. Dielektrické ztráty vody v závislosti na teplotě a frekvenci záření. Zdroj: 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, DOi33p: 10.13p
Napadá vás nějaké využití pro tento fenomén? Řeč je samozřejmě o mikrovlnné troubě. Typické zařízení tohoto typu produkuje mikrovlny na frekvenci 2,45 GHz (odpovídá vlnové délce asi 0,12 m).Z Obr. Obrázek 8 ukazuje, že dielektrická ztráta při této frekvenci je nenulová - voda přítomná v potravinách tedy absorbuje mikrovlnné záření a zvyšuje svou teplotu, což vede k ohřevu všech potravin.
Analýza obr. 9, lze si také položit otázku - proč nepoužíváme frekvence v mikrovlnných troubách, kde jsou dielektrické ztráty ještě vyšší - např. kolem 10 GHz? Pak by totiž pohlcování záření bylo ještě efektivnější a jídlo by se rychleji ohřívalo! Odpověď souvisí s další vlastností záření – čím vyšší je koeficient absorpce (neboli dielektrická ztráta), tím méně záření proniká materiálem.
Vysoká dielektrická ztráta znamená, že většina záření je absorbována velmi blízko povrchu. Pokud by tedy mikrovlnné trouby produkovaly mikrovlny o vyšší frekvenci, pak by ohřívané jídlo bylo velmi horké v tenké vrstvě blízko povrchu a hluboko by vychladlo. Při nižších mikrovlnných frekvencích je absorbovaná energie rovnoměrněji distribuována v potravině.
Nakonec analyzujme závislost koeficientu absorpce vody pro široký frekvenční rozsah. Obrázek 9 ukazuje rozsah viditelného světla, o kterém jsme hovořili dříve. Analýzou spektra v širokém rozsahu lze vidět, že absorpce vody ve viditelné oblasti je velmi slabá - voda mnohem lépe absorbuje vlny z infračervené a mikrovlnné oblasti (což způsobuje její zahřívání) a z ultrafialové oblasti. .
Rýže. 9. Koeficient absorpce vody v závislosti na vlnové délce záření. Zdroj
Pro srovnání - absorpce v ultrafialovém záření je asi miliardkrát silnější než ve viditelné oblasti! Silná absorpce v této oblasti je již spojena s fotoionizací vody - záření je absorbováno molekulami vody a způsobuje vyrážení elektronů z nich.
Za svou přítomnost na Zemi vděčíme skutečnosti, že voda jen slabě pohlcuje viditelné záření. Pokud by voda silně absorbovala toto viditelné záření, všechny vodní plochy by byly tmavé a zakalené. Tím by se zabránilo rozvoji vodních rostlin a následně vodních živočichů.
Reference
- Elyashevich M.A. Optická spektra // Fyzická encyklopedie / Kap. vyd. A. M. Prochorov. - M.: Velká ruská encyklopedie, 1994. - V. 4. Poynting-Robertsonův efekt - Streamers. - S. 628-629. - 704 s. - 40 000 výtisků. - ISBN 5-85270-087-8.
- Fyzika. 11. třída: učebnice. pro všeobecné vzdělání instituce: základní a profilové. úrovně / G. Ya Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; vyd. V. I. Nikolajev, N. A. Parfenteva. - 19. vyd. - M.: Osvícení, 2010. - 399 s.
- Malyshev, VI Úvod do experimentální spektroskopie. - M.: Nauka, 1979. - 479 s.
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, ed. (2006). Příručka vibrační spektroskopie. New York: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.