สเปกโทรสโกปีการดูดซึม

การดูดซึมสเปกโทรสโกหมายถึงสเปกโทรสโกเทคนิคที่วัดการดูดซึมของรังสีเป็นหน้าที่ของความถี่หรือความยาวคลื่นเนื่องจากการปฏิสัมพันธ์กับกลุ่มตัวอย่าง ตัวอย่างดูดซับพลังงาน กล่าวคือ โฟตอน จากสนามที่แผ่รังสี ความเข้มของการดูดซึมแตกต่างกันไปเป็นหน้าที่ของความถี่และการเปลี่ยนแปลงนี้เป็นสเปกตรัมการดูดซึม การดูดซึมสเปกโทรสโกจะดำเนินการทั่วสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

ภาพรวมของ การดูดกลืนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นนี้จะกล่าวถึงหลักการทั่วไปโดยใช้ แสงที่มองเห็น แหล่งกำเนิดแสงสีขาว - เปล่งแสงจากความยาวคลื่นหลาย ช่วง - มุ่งเน้นไปที่ตัวอย่าง ( คู่สีเสริมจะถูกระบุด้วยเส้นประสีเหลือง) เมื่อกระทบกับตัวอย่าง โฟตอนที่ตรงกับช่องว่างพลังงานของ โมเลกุลที่มีอยู่ (แสงสีเขียวในตัวอย่างนี้) จะ ถูกดูดกลืนเพื่อกระตุ้นโมเลกุล โฟตอนอื่นๆ ส่งผ่านโดยไม่ได้รับผลกระทบ และหากการแผ่รังสีอยู่ในบริเวณที่มองเห็นได้ (400–700 นาโนเมตร) สีตัวอย่างจะเป็นสีเสริมของแสงที่ถูกดูดกลืน โดยการเปรียบเทียบการ ลดทอนของแสงที่ส่องผ่านกับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น สามารถรับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงได้
การตรวจจับโดยตรงและการวิเคราะห์ทางเคมีของ บรรยากาศของ ดาวเคราะห์นอกระบบครั้งแรกในปี 2544 โซเดียมในบรรยากาศกรอง แสงดาวของ HD 209458เมื่อ ดาวเคราะห์ยักษ์เคลื่อนผ่านหน้าดาวฤกษ์

สเปกโตรสโคปีการดูดซึมถูกใช้เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อตรวจสอบการมีอยู่ของสารเฉพาะในตัวอย่าง และในหลายกรณี เพื่อหาปริมาณของสารที่มีอยู่ สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดและรังสีอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้นั้นพบได้บ่อยโดยเฉพาะในการใช้งานเชิงวิเคราะห์ สเปคโทรสการดูดกลืนยังใช้ในการศึกษาฟิสิกส์ระดับโมเลกุลและอะตอม สเปกโทรสโกปีดาราศาสตร์ และการสำรวจระยะไกล

มีวิธีการทดลองที่หลากหลายสำหรับการวัดสเปกตรัมการดูดกลืนแสง การจัดเรียงที่พบบ่อยที่สุดคือการควบคุมลำแสงรังสีที่สร้างขึ้นไปยังตัวอย่างและตรวจจับความเข้มของรังสีที่ผ่านตัวอย่าง พลังงานที่ส่งผ่านสามารถใช้คำนวณการดูดกลืนได้ แหล่งที่มา การจัดเรียงตัวอย่าง และเทคนิคการตรวจจับจะแตกต่างกันไปตามช่วงความถี่และวัตถุประสงค์ของการทดสอบ

ต่อไปนี้เป็นประเภทหลักของการดูดซึมสเปกโตรสโคปี: [1]

คุณหนู รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ประเภทสเปกโตรสโกปี
1 เอกซเรย์ สเปกโตรสโคปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์
2 รังสีอัลตราไวโอเลต–มองเห็นได้ สเปกโตรสโคปีการดูดกลืนแสงยูวี
3 อินฟราเรด สเปกโตรสโคปีการดูดกลืนอินฟราเรด
4 ไมโครเวฟ สเปกโตรสโคปีการดูดกลืนไมโครเวฟ
5 คลื่นวิทยุ สเปกโตรสโคปีเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์อิเล็กตรอน

สเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์

สเปกตรัมสุริยะที่มี เส้น Fraunhoferตามที่มองเห็นได้

สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของวัสดุคือเศษส่วนของรังสีตกกระทบที่วัสดุดูดซับไว้ในช่วงความถี่ สเปกตรัมการดูดกลืนถูกกำหนดเป็นหลัก[2] [3] [4]โดยองค์ประกอบอะตอมและโมเลกุลของวัสดุ การแผ่รังสีมีแนวโน้มที่จะถูกดูดกลืนที่ความถี่ซึ่งตรงกับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะทางกลควอนตัมสองสถานะของโมเลกุล การดูดกลืนที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนสถานะระหว่างสองสถานะเรียกว่าเส้นการดูดกลืนและสเปกตรัมโดยทั่วไปประกอบด้วยหลายเส้น

ความถี่ที่เส้นดูดกลืนเกิดขึ้น เช่นเดียวกับความเข้มสัมพัทธ์ ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์และโมเลกุลของตัวอย่าง ความถี่จะขึ้นอยู่กับการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในตัวอย่างที่โครงสร้างผลึกในของแข็งและอยู่กับปัจจัยหลายด้านสิ่งแวดล้อม (เช่นอุณหภูมิ , ความดัน , สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ) เส้นจะมีความกว้างและรูปร่างที่กำหนดโดยความหนาแน่นของสเปกตรัมหรือความหนาแน่นของสถานะของระบบเป็นหลัก

ทฤษฎี

สายการดูดกลืนโดยปกติจำแนกตามลักษณะของการเปลี่ยนแปลงทางกลของควอนตัมที่เหนี่ยวนำให้เกิดในโมเลกุลหรืออะตอม เส้นหมุนเช่น เกิดขึ้นเมื่อสถานะการหมุนของโมเลกุลเปลี่ยนไป โดยทั่วไปแล้วเส้นหมุนจะพบได้ในบริเวณสเปกตรัมไมโครเวฟ เส้นสั่นสะเทือนสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงในสถานะการสั่นของโมเลกุลและมักพบในบริเวณอินฟราเรด เส้นอิเล็กทรอนิกส์สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงในสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมหรือโมเลกุล และมักพบในบริเวณที่มองเห็นได้และรังสีอัลตราไวโอเลต การดูดกลืนรังสีเอกซ์เกี่ยวข้องกับการกระตุ้นของอิเล็กตรอนภายในเปลือกในอะตอม การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ยังสามารถรวมกันได้ (เช่นการเปลี่ยนผ่านของการหมุน-การสั่นสะเทือน ) ซึ่งนำไปสู่แนวการดูดกลืนใหม่ที่พลังงานรวมของการเปลี่ยนแปลงทั้งสอง

พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางกลของควอนตัมกำหนดความถี่ของเส้นดูดกลืนเป็นหลัก แต่ความถี่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยปฏิกิริยาหลายประเภท สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ ปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ ตัวอย่างเช่น เส้นดูดกลืนของโมเลกุลของเฟสแก๊สสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อโมเลกุลนั้นอยู่ในเฟสของเหลวหรือของแข็ง และมีปฏิสัมพันธ์รุนแรงกว่ากับโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงมากขึ้น

ความกว้างและรูปร่างของเส้นดูดกลืนถูกกำหนดโดยเครื่องมือที่ใช้ในการสังเกตการณ์ วัสดุที่ดูดซับรังสี และสภาพแวดล้อมทางกายภาพของวัสดุนั้น มันเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับสายที่จะมีรูปทรงของการเสียนหรือLorentzianกระจาย เป็นเรื่องปกติที่เส้นจะอธิบายตามความเข้มและความกว้างเพียงอย่างเดียวแทนที่จะอธิบายรูปร่างทั้งหมด

ความเข้มข้นแบบบูรณาการ—ได้มาจากการรวมพื้นที่ใต้เส้นดูดซับ—เป็นสัดส่วนกับปริมาณของสารดูดซับที่มีอยู่ ความเข้มยังสัมพันธ์กับอุณหภูมิของสารและปฏิกิริยาทางกลควอนตัมระหว่างการแผ่รังสีและตัวดูดซับ การโต้ตอบนี้วัดจากช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลงและขึ้นอยู่กับสถานะด้านล่างโดยเฉพาะที่การเปลี่ยนแปลงเริ่มต้นและสถานะบนที่เชื่อมต่อ

ความกว้างของเส้นดูดกลืนอาจกำหนดโดยสเปกโตรมิเตอร์ที่ใช้ในการบันทึก สเปกโตรมิเตอร์มีขีด จำกัด โดยธรรมชาติเกี่ยวกับวิธีการหรือเส้นมันที่สามารถแก้ไขและเพื่อให้ความกว้างสังเกตอาจจะอยู่ที่ขีด จำกัด นี้ หากความกว้างมากกว่าขีดจำกัดความละเอียด สภาพแวดล้อมของตัวดูดซับจะถูกกำหนดเป็นหลัก ตัวดูดซับของเหลวหรือของแข็ง ซึ่งโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงมีปฏิกิริยาต่อกันอย่างรุนแรง มีแนวโน้มที่จะมีเส้นการดูดกลืนที่กว้างกว่าก๊าซ การเพิ่มอุณหภูมิหรือความดันของวัสดุดูดซับจะมีแนวโน้มเพิ่มความกว้างของเส้น นอกจากนี้ยังเป็นเรื่องปกติที่ช่วงการเปลี่ยนภาพที่อยู่ใกล้เคียงหลายครั้งจะอยู่ใกล้กันมากจนเส้นของพวกมันทับซ้อนกันและเส้นตรงที่เป็นผลลัพธ์จึงกว้างขึ้น

ความสัมพันธ์กับสเปกตรัมการส่งสัญญาณ

สเปกตรัมการดูดกลืนและการส่งผ่านแสดงข้อมูลที่เท่าเทียมกัน และสามารถคำนวณได้จากอีกอันหนึ่งผ่านการแปลงทางคณิตศาสตร์ สเปกตรัมการส่งผ่านจะมีความเข้มสูงสุดที่ความยาวคลื่นที่การดูดกลืนแสงน้อยที่สุด เนื่องจากมีการส่งผ่านแสงผ่านตัวอย่างมากขึ้น สเปกตรัมการดูดกลืนจะมีความเข้มสูงสุดที่ความยาวคลื่นที่การดูดกลืนจะรุนแรงที่สุด

ความสัมพันธ์กับสเปกตรัมการแผ่รังสี

สเปกตรัมการปล่อยธาตุเหล็ก

การปล่อยเป็นกระบวนการที่สารปล่อยพลังงานในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า การปล่อยก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้ที่ความถี่ใด ๆ ที่การดูดกลืนอาจเกิดขึ้นได้ และสิ่งนี้จะช่วยให้สามารถกำหนดเส้นการดูดกลืนจากสเปกตรัมการปล่อยก๊าซได้ สเปกตรัมปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยทั่วไปจะมีรูปแบบความรุนแรงแตกต่างกันมากจากสเปกตรัมการดูดซึมแม้ว่าดังนั้นทั้งสองจะไม่เทียบเท่า สเปกตรัมการดูดซึมสามารถคำนวณได้จากคลื่นความถี่ที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์น์สไตน์

สัมพันธ์กับการกระเจิงและสเปกตรัมสะท้อน

สเปกตรัมการกระเจิงและการสะท้อนแสงของวัสดุได้รับอิทธิพลจากดัชนีการหักเหของแสงและสเปกตรัมการดูดกลืน ในบริบทแสงสเปกตรัมการดูดซึมโดยปกติจะวัดโดยค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียและการสูญเสียและดัชนีค่าสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องในเชิงปริมาณผ่านความสัมพันธ์ Kramers-Kronig ดังนั้นสเปกตรัมการดูดกลืนสามารถได้มาจากสเปกตรัมการกระเจิงหรือสเปกตรัมการสะท้อน โดยทั่วไปต้องใช้สมมติฐานหรือแบบจำลองที่ทำให้เข้าใจง่าย ดังนั้นสเปกตรัมการดูดกลืนที่ได้มาจึงเป็นค่าประมาณ