Spectroscopie

Analyse de la lumière blanche par le dispersant avec un prisme est un exemple de la spectroscopie.

Spectroscopie (pron .: / s p ɛ k t r ɒ s k ə p Je /) Est l'étude de l'interaction entre la matière et énergie rayonnée. Historiquement, la spectroscopie origine par l'étude de lumière visible dispersée selon son longueur d'onde, par exemple, par un prisme. Plus tard, le concept a été étendu pour comprendre ne importe quel grandement l'interaction avec l'énergie radiative en fonction de sa longueur d'onde ou fréquence. données spectroscopiques est souvent représenté par un spectre, un tracé de la réponse d'intérêt en fonction de la longueur d'onde ou de la fréquence.

Introduction

Spectroscopie et spectrographie sont des termes utilisés pour désigner la mesure de l'intensité de rayonnement en fonction de la longueur d'onde et sont souvent utilisés pour décrire méthodes spectroscopiques expérimentales. Dispositifs de mesure spectrale sont appelés spectromètres, spectrophotomètres, spectrographes ou analyseurs spectraux.

Observations quotidiennes de couleur peuvent être liés à la spectroscopie. éclairage au néon est une application directe de spectroscopie atomique. Neon et d'autres gaz nobles ont des couleurs d'émission caractéristiques, et les lampes au néon utilisent l'électricité pour exciter ces émissions. Encres, colorants et Les peintures comprennent des composés chimiques choisis pour leurs caractéristiques spectrales afin de générer des couleurs et des teintes spécifiques. A communément rencontrés spectre moléculaire est celui de dioxyde d'azote. Le dioxyde d'azote gazeux a une caractéristique d'absorption rouge, ce qui donne un air pollué par du dioxyde d'azote, une couleur brun rougeâtre. La diffusion de Rayleigh est un phénomène spectroscopique de diffusion qui représente la couleur du ciel.

études spectroscopiques étaient au cœur du développement de la mécanique quantique et inclus de Max Planck l'explication des rayonnement du corps noir, d'Albert Einstein l'explication de la effet photoélectrique et de Niels Bohr de l'explication de la structure atomique et les spectres. Est utilisé dans la spectroscopie physique et chimie analytique parce atomes et molécules ont des spectres unique. Ces spectres peuvent être interprétées pour obtenir des informations sur les atomes et molécules, et ils peuvent également être utilisés pour détecter, identifier et quantifier les produits chimiques. Spectroscopie est également utilisé dans astronomie et la télédétection. La plupart des recherches télescopes ont spectrographes. Les spectres mesurés sont utilisés pour déterminer la composition chimique et propriétés physiques de objets astronomiques (tels que leur température et vitesse ).

Théorie

Un des concepts centraux de la spectroscopie est une résonance et sa fréquence de résonance correspondant. Résonances ont été caractérisées d'abord dans les systèmes mécaniques tels que pendules. Systèmes mécaniques qui vibrent ou oscillent connaîtront des oscillations de grande amplitude quand ils sont entraînés à leur fréquence de résonance. Une parcelle d'amplitude fréquence d'excitation par rapport aura un pic centré à la fréquence de résonance. Cette parcelle est un type de spectre, le pic souvent appelée raie spectrale, et la plupart des raies spectrales ont une apparence similaire.

Dans les systèmes de mécanique quantique, la résonance analogue est un couplage de deux mécanique quantique états stationnaires d'un système, tel qu'un atome , par l'intermédiaire d'une source d'énergie oscillatoire tel qu'un photon . Le couplage des deux Etats est la plus forte lorsque l'énergie de la source correspond à la différence d'énergie entre les deux états. L'énergie d'un photon est lié à sa fréquence par où est La constante de Planck, et ainsi un spectre de la réponse du système par rapport à la fréquence de photon sera à son maximum à la fréquence de résonance ou de l'énergie. Les particules telles que les électrons et les neutrons ont une relation comparable, le relations de Broglie, entre leur énergie cinétique et leur longueur d'onde et la fréquence et donc peuvent aussi exciter les interactions de résonance.

Les spectres des atomes et des molécules se composent souvent d'une série de lignes spectrales, chacune représentant une résonance entre deux états quantiques différents. L'explication de ces séries, et les modèles spectrales associées avec eux, était une des énigmes expérimentales qui ont poussé le développement et l'acceptation de la mécanique quantique. Le Spectre de l'atome d'hydrogène en particulier a été expliqué par le premier succès Rutherford-Bohr modèle quantique de l'atome d'hydrogène. Dans certains cas, les lignes spectrales sont bien séparés et distincts mais raies spectrales peuvent aussi se chevaucher et semblent être une seule transition si le densité d'états d'énergie est assez élevée.

Classification des méthodes

La spectroscopie est un champ suffisamment large que de nombreux sous-disciplines existent, chacune avec de nombreuses implémentations de techniques spectroscopiques spécifiques. Les différentes mises en oeuvre et les techniques peuvent être classés de différentes façons.

Type d'énergie radiative

Types de spectroscopie se distinguent par le type d'énergie radiative impliqués dans l'interaction. Dans de nombreuses applications, le spectre est déterminé en mesurant les changements dans l'intensité ou la fréquence de cette énergie. Les types d'énergie radiative étudiés comprennent:

• Le rayonnement électromagnétique est la première source d'énergie utilisée pour les études spectroscopiques. Les techniques qui emploient des radiations électromagnétiques sont généralement classés par la région de longueur d'onde du spectre et comprennent micro-ondes, térahertz, infrarouge, proche infrarouge, visible et ultraviolet, de rayons X et spectroscopie gamma.
• Les particules, en raison de leur longueur d'onde de Broglie, peut également être une source d'énergie rayonnante et à la fois électrons et neutrons sont couramment utilisés. Pour une particule, son énergie cinétique détermine sa longueur d'onde.
• Spectroscopie acoustique implique des ondes de pression rayonnées.
• Les moyens mécaniques peuvent être utilisés pour conférer une énergie rayonnante, semblables à des ondes acoustiques, à des matériaux solides.

Nature de l'interaction

Types de spectroscopie peuvent aussi se distinguer par la nature de l'interaction entre l'énergie et la matière. Ces interactions comprennent:

• L'absorption se produit lorsque l'énergie provenant de la source de rayonnement est absorbé par le matériau. L'absorption est souvent déterminée par la mesure de la fraction d'énergie transmise à travers le matériau; absorption diminuera la partie transmise.
• Émission indique que l'énergie radiative est libéré par le matériau. Est un matériau spectre de corps noir est un spectre d'émission spontanée déterminée par sa température. L'émission peut aussi être induite par d'autres sources d'énergie telles que flammes ou d'étincelles ou rayonnement électromagnétique dans le cas de fluorescence.
• Diffusion élastique et spectroscopie de réflexion déterminent la radiation incidente est réfléchie ou diffusée par un matériau. Cristallographie emploie la diffusion du rayonnement de haute énergie, tels que les rayons X et électrons, d'examiner l'arrangement des atomes dans les protéines et les cristaux solides.
• La spectroscopie d'impédance étudie la capacité d'un support d'entraver ou de freiner la transmission de l'énergie. Pour des applications optiques , ce est caractérisée par la indice de réfraction.
• Les phénomènes de diffusion inélastique impliquent un échange d'énergie entre le rayonnement et la matière qui décale la longueur d'onde du rayonnement diffusé. Il se agit notamment Raman et Diffusion Compton.
• Spectroscopie cohérente ou la résonance des techniques où les couples de l'énergie radiative deux états quantiques de la matière dans un interaction cohérente qui est soutenue par le champ de rayonnement. La cohérence peut être perturbé par d'autres interactions, comme les collisions de particules et le transfert d'énergie et exigent souvent un rayonnement de haute intensité pour être soutenue. résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode de résonance largement utilisé et méthodes laser ultrarapides sont également désormais possible dans les régions spectrales infrarouges et visibles.

Type de matériau

Les études spectroscopiques sont conçus de telle sorte que l'énergie de rayonnement interagit avec des types spécifiques de la matière.

Atomes

Spectroscopie atomique était la première application de la spectroscopie développé. Spectroscopie d'absorption atomique (AAS) et spectroscopie d'émission atomique (AES) implique lumière visible et ultraviolette. Ces absorptions et des émissions, souvent appelés raies spectrales atomiques , sont dues à des transitions électroniques d'un électron de coquille externe à un état excité. Atomes ont aussi spectres x-ray distincte qui sont attribuables à l'excitation des électrons de coque intérieure à états excités.

Les atomes des différents éléments distincts et ont des spectres de spectroscopie atomique par conséquent permet l'identification et la quantification de la composition élémentaire d'un échantillon. Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff découvert de nouveaux éléments par observation de leur spectre d'émission. Raies d'absorption atomique sont observés dans le spectre solaire et dénommés Raies de Fraunhofer après leur découvreur. Une explication complète de la spectre de l'hydrogène a été un succès du début de la mécanique quantique et d'expliquer le Lamb décalage observé dans le spectre de l'hydrogène conduit à l'élaboration de électrodynamique quantique.

Implémentations modernes de spectroscopie atomique pour étudier les transitions visibles et ultraviolets comprennent spectroscopie d'émission de la flamme, plasma à couplage inductif spectroscopie d'émission atomique, Spectroscopie à décharge lumineuse, micro-ondes induites par spectroscopie de plasma, et étincelle ou spectroscopie d'émission arc. Techniques pour étudier les spectres de rayons X comprennent X-ray et spectroscopie Fluorescence X (XRF).

Molécules

La combinaison d'atomes en molécules conduit à la création de types uniques des Etats énergiques et spectres donc unique des transitions entre ces états. Spectres moléculaire peut être obtenue grâce à des états de spin électronique ( électrons résonance paramagnétique), rotations moléculaires, vibration moléculaire et états électroniques. Rotations sont des mouvements collectifs des noyaux atomiques et typiquement conduisent à des spectres dans les régions spectrales micro-ondes et à ondes millimétriques; spectroscopie de rotation et la spectroscopie à micro-ondes sont synonymes. Les vibrations sont les mouvements relatifs des noyaux atomiques et sont étudiés à la fois par infrarouge et Spectroscopie Raman. Excitations électroniques sont étudiés à l'aide spectroscopie visible et ultraviolet, ainsi que spectroscopie de fluorescence.

Des études en spectroscopie moléculaire ont conduit à la mise au point de la première maser et a contribué au développement ultérieur du laser .

Cristaux et matériaux étendues

La combinaison d'atomes ou de molécules en cristaux ou d'autres formes étendues conduit à la création d'états énergétiques supplémentaires. Ces états sont nombreux et ont donc une forte densité d'états. Cette haute densité rend souvent les spectres plus faible et moins distincte, ce est à dire, plus large. Par exemple, le rayonnement du corps noir est due aux mouvements thermiques des atomes et des molécules au sein d'un matériau. Réponses acoustiques et mécaniques sont dues à des mouvements collectifs ainsi.

Cristaux purs, cependant, peuvent avoir des transitions spectrales distinctes et l'agencement de cristal a également un effet sur les spectres moléculaire observé. Le régulière la structure en treillis de cristaux disperse également les rayons X, des électrons ou des neutrons permettant études cristallographiques.

Noyaux

Noyaux ont aussi des états d'énergie distincts qui sont largement séparés et conduisent à des spectres de rayons gamma. États distincts de spin nucléaire peuvent avoir leur énergie séparée par un champ magnétique, ce qui permet de spectroscopie RMN .

D'autres types

Autres types de spectroscopie se distinguent par des applications ou des implémentations spécifiques:

• Spectroscopie Auger est une méthode utilisée pour étudier surfaces de matériaux sur une micro-échelle. Il est souvent utilisé dans le cadre de microscopie électronique.
• anneau bas spectroscopie de la cavité
• Spectroscopie de dichroïsme circulaire
• Spectroscopie anti-Stokes cohérente Raman (CARS) est une technique récente qui a une haute sensibilité et de puissantes applications pour la spectroscopie et l'imagerie in vivo.
• Vapeur froide spectroscopie de fluorescence atomique
• spectroscopie de corrélation comprend plusieurs types de spectroscopie RMN à deux dimensions.
• Niveau profond transitoire la concentration des mesures de spectroscopie et l'analyse des paramètres de défauts électriquement actifs dans matériaux semi-conducteurs
• Interférométrie à double polarisation mesure les composantes réelle et imaginaire de l'indice de réfraction complexe
• Spectroscopie EPR
• Spectroscopie vigueur
• spectroscopie à transformée de Fourier est une méthode efficace pour le traitement des données spectrales obtenues à l'aide d'interféromètres. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) est une mise en œuvre commune de la spectroscopie infrarouge. RMN emploie également transformées de Fourier.
• spectroscopie de hadrons étudie l'énergie / spectre de masse des hadrons selon rotation, parité, et d'autres propriétés des particules. spectroscopie et Baryon spectroscopie des mésons sont les deux types de spectroscopie de hadrons.
• L'imagerie hyperspectrale est une méthode pour créer une image complète de l'environnement ou des objets divers, chaque pixel contenant une pleine visible, VNIR, NIR, ou le spectre infrarouge.
• Spectroscopie tunnel d'électrons inélastique (SITE) utilise les variations de courant due à inélastique interaction électron-vibration à des énergies spécifiques qui peuvent également mesurer les transitions optiquement interdites.
• Diffusion inélastique des neutrons est similaire à la spectroscopie Raman, mais utilise les neutrons au lieu de photons .
• Répartition de Laser-Induced Spectroscopy (LIBS), également appelé plasma spectrométrie induite par laser (LIPS)
• utilisations de spectroscopie laser lasers accordables et d'autres types de sources d'émission cohérentes, comme oscillateurs paramétriques optiques, pour l'excitation sélective d'espèces atomiques ou moléculaires.
• Spectroscopie de masse est un terme historique utilisé pour désigner la spectrométrie de masse . Les recommandations actuelles sont d'utiliser ce dernier terme. L'utilisation de la spectroscopie de masse de terme est apparu dans l'utilisation de écrans à luminophores à détecter les ions.
• Spectroscopie Mössbauer sonde les propriétés spécifiques de isotopiques des noyaux atomiques dans différents environnements en analysant l'absorption de résonance rayons gamma. Voir également Effet Mössbauer.
• Neutron écho de spin mesures de spectroscopie de la dynamique interne des protéines et d'autres systèmes de la matière molle
• Spectroscopie photoacoustique mesure les ondes sonores produites lors de l'absorption du rayonnement.
• Spectroscopie de photoélectrons
• des mesures de spectroscopie photothermique chaleur dégagée lors de l'absorption d'un rayonnement.
• Spectroscopie pompe-sonde peut utiliser des impulsions laser ultrarapides pour mesurer les intermédiaires de réaction dans l'échelle de temps femtoseconde.
• Spectroscopie Raman activité optique exploite diffusion Raman et les effets de l'activité optique de révéler des informations détaillées sur les centres chiraux dans les molécules.
• Spectroscopie Raman
• Spectroscopie saturé
• spectroscopie à effet tunnel
• Spectrophotométrie
• Mesures de spectroscopie résolue en temps le taux (s) de décroissance des états excités en utilisant diverses méthodes spectroscopiques.
• Time-stretch spectroscopie
• Des mesures de spectroscopie infrarouge thermique rayonnement thermique émis par les matériaux et les surfaces et est utilisé pour déterminer le type de liaisons présentes dans un échantillon, ainsi que leur environnement de réseau. Les techniques sont largement utilisés par les chimistes organiques, minéralogistes et les scientifiques planétaires.
• Spectroscopie ultraviolet photoélectronique (UPS)
• Spectroscopie de dichroïsme circulaire vibratoire
• Spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS)

Applications

• Estimation résisté à des temps d'exposition de bois en utilisant la spectroscopie proche infrarouge.
• surveillance de la Cure de composites utilisant des fibres optiques