Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Absorpčné spektrá rôznych látok nám môžu poskytnúť informácie o ich chemickom zložení, molekulovej štruktúre a atómovej štruktúre. Ich výrobou a analýzou sa zaoberá oblasť spektroskopie. Takto získané poznatky je možné využiť pri vývoji a získavaní nových materiálov so zaujímavými vlastnosťami, ktoré nám umožnili vytvárať moderné lietadlá, katalyzátory výfukových plynov, fotovoltaické články či lítium-iónové batérie.
Spektroskopia
Štúdium atómových spektier je užitočné nielen v materiálovej vede – spektroskopická analýza je základom aj v práci umeleckých reštaurátorov. To vám okrem iného umožňuje pochopiť, prečo mikrovlnná rúra funguje.
Ryža. 1. Na bezpečné skúmanie umeleckých diel môžeme použiť absorpčnú spektroskopiu. Zdroj fotografií: http://monalisa.org/
Slovo spektrum pochádza z latinského slova Spectrum, čo znamená vzhľad, pohľad alebo obraz, ako aj duch alebo fantóm. "Spektroskopia" je na druhej strane metóda získavania a štúdia spektier, teda závislosti fyzikálnych veličín od vlnovej dĺžky, frekvencie alebo energie svetla. Preto sa termín "absorpčná spektroskopia" bude používať na opis výskumných metód, ktorých účelom je získať absorpčné spektrum látky.
Upozorňujeme, že keď píšeme o spektroskopických metódach, používame množné číslo – neexistuje jediná metóda nazývaná „absorpčná spektroskopia“. V závislosti od použitej vlnovej dĺžky svetla možno hovoriť o rôznych typoch absorpčnej spektroskopie (a rôznych absorpčných spektrách).Príklady (nie všetky!) tejto rodiny sú uvedené v tabuľke 1.
| Typ použitého žiarenia | Názov metódy |
| Röntgen | Röntgenová absorpčná spektroskopia |
| UV a viditeľné | UV-viditeľná spektroskopia (UV-VIS-spektroskopia) |
| Infračervené | Infračervená absorpčná spektroskopia |
| Mikrovlnka | Mikrovlnná absorpčná spektroskopia |
| Rádiovlna | Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia. Elektrónová paramagnetická rezonančná spektroskopia. |
Skôr než postúpime ďalej, pripomeňme si, čo je to absorpčné spektrum – získava sa osvetlením látky určitým žiarením a skúmaním žiarenia, ktoré látkou prechádza.Inými slovami, ak pozorujeme absenciu určitých vlnových dĺžok v absorpčnom spektre v porovnaní s dopadajúcim žiarením, znamená to, že tieto vlnové dĺžky boli absorbované materiálom.
Schéma absorpčnej metódy je znázornená na obr. 2 a príklad absorpčného spektra je znázornený na obr. 3. Toto je absorpčné spektrum slnečného žiarenia, ktoré sa získa, keď slnečné žiarenie produkované hlboko vo vnútri hviezdy prechádza vrstvami plynu. Viditeľné čierne čiary naznačujú, že časť žiarenia bola absorbovaná.
Ryža. 2. Schéma typickej absorpčnej (absorpčnej) metódy
Ryža. 3. Absorpčné spektrum slnečného žiarenia. Zdroj obrázkov: https://ru.wikipedia.org/wiki/Absorption_spectroscopy
Rôzne typy absorpčnej spektroskopie sú výkonnými nástrojmi na štúdium rôznych vlastností materiálov. V tabuľke 2 sme uviedli príklady informácií, ktoré možno získať štúdiom absorpčných spektier v rôznych spektrálnych rozsahoch.
| Typ použitého žiarenia | Aplikácia |
| Röntgen | Štúdium vzájomného usporiadania atómov na veľmi malé vzdialenosti, štúdium chemického zloženia vzorky a oxidačného stavu prvkov |
| UV | Test chemického zloženia vzorky, testovanie koncentrácie roztokov |
| Viditeľné | Štúdium chemického zloženia hviezd a medzihviezdnych oblakov, štúdium elektronickej štruktúry pevných látok, štúdium chemického zloženia vzorky, štúdium koncentrácie roztokov |
| Infračervené | Štúdium chemického zloženia plynov, štúdium typov väzieb medzi atómami, pre organické zlúčeniny: určenie typov funkčných skupín, ktoré sa viažu na uhlíkový reťazec |
| Mikrovlnka | Určenie dĺžok väzieb a uhlov medzi atómami |
| Rozhlasová vlna | Štúdium vzájomného usporiadania atómov na veľmi malé vzdialenosti, štúdium oxidačného stavu prvkov vo vzorke |
Aplikácia
V tabuľke 2 uvádzame typické vedecké aplikácie absorpčnej spektroskopie. Skúsme si však odpovedať na otázku – ako nám môžu byť študované vlastnosti užitočné? Aký úžitok nám môže priniesť poznanie vzájomného usporiadania atómov v materiáli alebo typov chemických väzieb? Inými slovami, prečo sú tieto metódy také dôležité?
Odpoveď je veľmi všeobecná – znalosť týchto aspektov nám umožňuje najmä spájať rôzne vlastnosti materiálov s ich atómovou štruktúrou. Keď vieme, ako spolu súvisia vlastnosti a štruktúra materiálu, môžeme sa pokúsiť túto štruktúru zmeniť a tým zlepšiť vlastnosti materiálov.Vďaka tomu sme dnes schopní vyrábať veľmi pevné a veľmi ľahké kompozitné materiály, ktoré sa používajú napríklad pri konštrukcii lietadiel, čoraz vyspelejšie elektrické vodiče, katalyzátory na rozklad výfukových plynov áut, lítium-iónové batérie , fotovoltaické články alebo senzory výfukových plynov alebo iných toxických plynov.
Štúdiom vlastností rôznych materiálov pomocou techník absorpčnej spektroskopie môžeme vyvinúť nové materiály so zlepšenými vlastnosťami. Napríklad lietadlo Boeing 787-8 je vďaka použitiu moderných kompozitných materiálov pri jeho konštrukcii ľahšie ako jeho predchodcovia.
Aplikácia absorpčnej spektroskopie sa však neobmedzuje len na vedu o materiáloch. Vezmime si príklad z úplne inej oblasti – umenia! Historici sa pri štúdiu rôznych maliarskych diel zaujímajú o odpovede na nasledujúce otázky: je obraz, ktorý dnes vidíme, ten, ktorý umelec pôvodne namaľoval? Aká bola technika kreslenia? A na záver nemenej dôležitá otázka – je tento obraz originálom alebo veľmi kvalitne vyhotovenou kópiou? Odpovede na tieto otázky môžu poskytnúť techniky absorpčnej spektroskopie!
V dejinách umenia sa často stávalo, že napríklad umelec dostal od svojho mecenáša zákazku namaľovať prvú verziu konkrétneho obrazu. Ak patrón nebol spokojný s výsledkom, umelec časti obrazu premaľoval alebo prekreslil. Stáva sa tiež, že pigmenty používané vo farbách neobstáli v skúške času a v dôsledku chemických reakcií zmenili svoju farbu – napríklad tmavozelená farba môže zhnednúť. Napokon sa stáva, že dielo pôvodného umelca následne „opravujú“ iní. Takéto zmeny postihli napríklad slávnu „Dámu s hranostajom“ od Leonarda da Vinciho, kde bolo pozadie za postavou premaľované čiernou farbou a samotná dáma aj s hranostajom boli vyretušované. Aktuálna verzia obrázku je znázornená na obrázku 4.
Ryža. 4. Dáma s hranostajom. Autor obrazu: Leonardo da Vinci. Leonardo da Vinci, Public Domain cez Wikimedia Commons
Na obr. Obrázok 5 ukazuje fragment hranostaju videný v infračervenej oblasti. Tmavé oblasti silne absorbujú toto žiarenie, svetlé oblasti slabo.
Vyššia absorpcia v určitej oblasti môže naznačovať, že pod viditeľnou vrstvou sa môže nachádzať staršia verzia obrázka – v tomto prípade tmavšia čiara okolo tváre zvieraťa naznačuje, že v pôvodnej verzii bola o niečo väčšia obrázku.
Obr.5. Časť hranostaju v infračervenom žiarení. Zdroj
Na druhej strane na obr. 6 je znázornené využitie UV absorpcie. Obraz absorbuje ultrafialové žiarenie a vyžaruje žiarenie vo viditeľnom svetle. Zloženie tohto svetla závisí od typu použitého pigmentu a jeho elementárneho zloženia. V červenom nátere, ktorý da Vinci namaľoval na rukáv šiat stvárnenej Cecilie Gallerani, sú najmä olovo, ortuť, železo a vápnik. Všimnite si, ako sa pomer jednotlivých prvkov mení v svetlejších a tmavších oblastiach rukáva.
Ryža. 6. Fragment rukáva šiat s elementárnym rozborom použitej farby. Zdroj
Štúdium chemického zloženia pigmentov tiež umožňuje odpovedať na otázku, aká bola ich pôvodná farba – či sa farba, ktorú dnes vidíme, zmenila pod vplyvom napríklad poveternostných podmienok. Nakoniec vám umožňuje určiť, či došlo k falšovaniu. Ak sa pri skúmaní maľby zistí prítomnosť farbív, ktoré sú svojím zložením podobné tým, ktoré sa používajú dnes, a nie v čase, keď obraz vznikol, môžeme si byť istí, že tento obraz nie je originál.
Teraz zmeňme tému na trochu inú – od materiálovej vedy a umenia prejdime k štúdiu vody. Pokúsime sa vysvetliť niektoré jeho vlastnosti na základe absorpčných spektier pre rôzne rozsahy žiarenia.
Vieme, že voda je priehľadná vo viditeľnom svetle, ale má mierne modrastý odtieň. prečo? Pozrite sa na obr. 7. Zobrazuje závislosť koeficientu absorpcie vody (vertikálna os) od vlnovej dĺžky dopadajúceho žiarenia (horizontálna os).Vertikálna os je zobrazená na logaritmickej stupnici.
Z grafu možno vyvodiť dva dôležité závery: po prvé, koeficient absorpcie nie je konštantná hodnota, ale závisí od vlnovej dĺžky (alebo frekvencie) dopadajúceho svetla! Po druhé, vidíme, že vlnové dĺžky, ktoré vyvolávajú dojem fialovej a modrej, sú absorbované viac ako 100-krát menej ako tie, ktoré sú spojené s červenou! To dodáva vode "modrý" odtieň.
Ryža. 7. Závislosť koeficientu absorpcie v závislosti od vlnovej dĺžky žiarenia. Zdroj
Poďme teraz analyzovať ďalšie spektrum, tentoraz v mikrovlnnej oblasti. Je to znázornené na obr. 8. Prerušované čiary na obrázku znázorňujú závislosť takzvaných dielektrických strát v závislosti od frekvencie žiarenia a teploty. Dielektrické straty súvisia s absorpciou – čím vyššie sú dielektrické straty, tým vyššia je absorpcia žiarenia.
Preto krivky znázornené na obr. 8. možno nazvať aj absorpčné spektrá, zjednodušene reprezentované inými fyzikálnymi veličinami. "Dielektrická strata" znamená, že energia dopadajúceho žiarenia bude absorbovaná materiálom. Vieme, že absorbovaná energia je zameraná na zvýšenie intenzity vibrácií molekúl vody. Makroskopicky to znamená, že voda pri osvetlení mikrovlnami zvyšuje svoju teplotu.
Ryža. 8. Dielektrické straty vody v závislosti od teploty a frekvencie žiarenia. 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, DOi38s/10.13p
Napadá vás nejaké využitie tohto fenoménu? Ide samozrejme o mikrovlnnú rúru. Typické zariadenie tohto typu produkuje mikrovlny na frekvencii 2,45 GHz (čo zodpovedá vlnovej dĺžke asi 0,12 m).Z obr. Obrázok 8 ukazuje, že dielektrická strata pri tejto frekvencii je nenulová - voda prítomná v potravinách teda absorbuje mikrovlnné žiarenie a zvyšuje svoju teplotu, čo vedie k ohrevu všetkých potravín.
Analýza obr. 9, možno si položiť aj otázku – prečo nepoužívame frekvencie v mikrovlnných rúrach, kde sú dielektrické straty ešte vyššie – napríklad okolo 10 GHz? Veď potom by bola absorpcia žiarenia ešte efektívnejšia a jedlo by sa rýchlejšie zohrialo! Odpoveď súvisí s ďalšou vlastnosťou žiarenia - čím vyšší je koeficient absorpcie (alebo dielektrická strata), tým menej žiarenia preniká materiálom.
Vysoká dielektrická strata znamená, že väčšina žiarenia je absorbovaná veľmi blízko povrchu. Ak by teda mikrovlnné rúry produkovali mikrovlny s vyššou frekvenciou, ohrievané jedlo by bolo veľmi horúce v tenkej vrstve blízko povrchu a hlboko by vychladlo. Pri nižších mikrovlnných frekvenciách je absorbovaná energia rovnomernejšie rozložená v potravinách.
Na záver analyzujme závislosť koeficientu absorpcie vody pre široký frekvenčný rozsah. Obrázok 9 zobrazuje rozsah viditeľného svetla, o ktorom sme hovorili vyššie. Analýzou spektra v širokom rozsahu je možné vidieť, že absorpcia vody vo viditeľnej oblasti je veľmi slabá - voda absorbuje oveľa lepšie vlny z infračervenej a mikrovlnnej oblasti (čo spôsobuje jej zahrievanie) a z ultrafialovej oblasti .
Ryža. 9. Koeficient absorpcie vody v závislosti od vlnovej dĺžky žiarenia. Zdroj
Pre porovnanie – absorpcia v ultrafialovom žiarení je asi miliardkrát silnejšia ako vo viditeľnej oblasti! Silná absorpcia v tejto oblasti je už spojená s fotoionizáciou vody - žiarenie je absorbované molekulami vody a spôsobuje z nich vyrazenie elektrónov.
Za svoju prítomnosť na Zemi vďačíme tomu, že voda len slabo pohlcuje viditeľné žiarenie. Ak by voda silne absorbovala toto viditeľné žiarenie, všetky vodné plochy by boli tmavé a zakalené. Tým by sa zabránilo rozvoju vodných rastlín a následne vodných živočíchov.
Referencie
- Elyashevich M.A. Optické spektrá // Fyzická encyklopédia / Ch. vyd. A. M. Prochorov. - M.: Great Russian Encyclopedia, 1994. - V. 4. Poynting-Robertsonov efekt - Streamers. - S. 628-629. - 704 s. - 40 000 kópií. - ISBN 5-85270-087-8.
- Fyzika. 11. ročník: učebnica. pre všeobecné vzdelanie inštitúcie: základné a profilové. úrovne / G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; vyd. V. I. Nikolajev, N. A. Parfenteva. - 19. vyd. - M.: Osvietenie, 2010. - 399 s.
- Malyshev, VI Úvod do experimentálnej spektroskopie. - M.: Nauka, 1979. - 479 s.
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, ed. (2006). Príručka vibračnej spektroskopie. New York: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.