Файл: физико-химические методы анализа.docx

Спектроскопическиминазываются методы анализа, в которых качественно и количественно измеряется взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

19.1. Природа и свойства электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу и обладает как волновыми, так и корпускулярными (дискретными) свойствами.

Электромагнитная волна состоит из двух компонентов - электрического и магнитного, которые перпендикулярны друг другу и к направлению движения волны (рис.19.1). В отличие от других волновых процессов, например, звуковых волн для распространения электромагнитного излучения не нужна проводящая среда

Рис. 19.1. Электромагнитная волна

~~Электромагнитная волна, как и любая волна, обладает следующими основными параметрами.~~

Длина волны (X)- расстояние, которое проходит волна за один период её колебаний (расстояние между двумя последовательными максимумами).

~~Длина волны измеряется в метрах (м). На практике обычно используют кратные единицы - нанометр (1 нм = 1-10^-9~~ ~~м) или микрометр (1 мкм = 1-10^-6~~ ~~м).~~

Частота (v)- число колебаний в 1 секунду.

~~Частота измеряется в герцах (1Гц = 1 с^-1) или в кратных ему единицах, например, 1МГц = 1-10~~⁶ ~~Гц. Длина волны и частота колебаний связаны между собой следующим уравнением~~

~~X •~~ v ~~= с |~~,

где с - скорость распространения волны в данной среде.

~~Для электромагнитной волны~~

с = с0/п,

где с₀ - скорость света в вакууме (2,99792-10⁸ м/с), п - показатель преломления среды.

Частота является более фундаментальной характеристикой, чем длина волны. Она зависит только от свойств источника излучения и не зависит от свойств среды. Длина волны зависит от природы среды, температуры и давления.

Волновое число (V) -число волн, приходящихся на 1 см в вакууме.

~~v = X"~~¹,

где X - длина волны (см).

~~Размерность~~ v ~~- см^-1~~.

Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток частиц энергии - фотонов. Связь между волновой и корпускулярной природой электромагнитного излучения устанавливает уравнение Планка:

E = hv = hc / X = hc v где h - постоянная Планка (h = 6,6262-10^-34 Дж-с)

Единицей измерения энергии является Джоуль (Дж). В спектроскопии часто используют внесистемную единицу - электрон-вольт (1эВ = 1,6022-10~~^-19~~ ~~Дж).~~ Чем больше длина волны электромагнитного излучения (меньше частота колебаний), тем меньше его энергия.

~~Совокупность всех энергий (длин волн, частот) электромагнитного излучения называется~~ электромагнитным спектром.

* X

у рентгеновское	УФ видимое ИК	микроволновое радиоволны

оптический диапазон

< ¹v

В спектроскопических методах анализа спектром (спектром поглощения, спектром испускания) называется зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих данной энергией (рис 19.2).

абсорбционные

кванта

Рис. 19.2. Спектр (поглощения, испускания) в спектроскопических методах анализа

19.2. Классификация спектроскопических методов анализа

Существует несколько подходов к классификации спектроскопических методов анализа. Классификационным критерием может быть вид электромагнитного излучения, характер его взаимодействия с веществом, вид частиц, взаимодействующих с электромагнитным излучением.

Вид используемого электромагнитного излучения

В спектроскопических методах анализа используется практически весь диапазон электромагнитного излучения: от у-излучения до радиоволн. Классификация спектроскопических методов анализа в зависимости от используемого электромагнитного излучения и вызываемых им процессов приведена в табл 19.1.

Табл. 19.1.

Классификация спектроскопических методов анализа в зависимости от используемого электромагнитного излучения

Используемая область ЭМИ	X	Вызываемый процесс	Метод анализа
у-излучение	10^-4-0,1 нм	ядерные реакции	нейтроно- активационный анализ
рентгеновское	0,1-10 нм	изменение энергии внутренних электронов	рентгеновская спектроскопия
УФ-излучение	200-400 нм	изменение энергии валентных электронов	УФ- спектроскопия
видимое	400-750 нм	то же	спектроскопия в видимой области
ИК-излучение	10"⁶-10"³ м	изменение колебательного состояния молекулы	ИК- спектроскопия
микроволновое	10^-3 - 10^-1 м	изменение вращательного состояния молекулы	микроволновая спектроскопия
радиоволны	10^-1 - 10¹ м	электроно-спиновые переходы ядерно-спиновые переходы	спектроскопия ЭПР спектроскопия ЯМР

Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому между различными спектроскопическими методами анализа имеется много общего. Вместе с тем, различные виды электромагнитного излучения по-разному взаимодействуют с веществом. Поэтому каждый спектроскопический метод анализа имеет свою область применения, свою аппаратуру, особенности получения аналитического сигнала и т.д.

Характер взаимодействия электромагнитного излучения с веществом

В зависимости от характера взаимодействия электромагнитного излучения с веществом различают следующие группы спектроскопических методов анализа:

методы, основанные на поглощении электромагнитного излучения (абсорбционные методы);
методы, основанные на испускании веществом электромагнитного излучения (эмиссионные методы);
методы, основанные на рассеянии электромагнитного излучения, на отражении электромагнитного излучения и других процессах.

В абсорбционных спектроскопических методах через исследуемый образец пропускают электромагнитное излучение определённой длины волны. Если в данном образце имеются частицы, способные поглощать такое электромагнитное излучение, то интенсивность выходящего излучения будет меньше интенсивности излучения, попадающего на образец. Практически в абсорбционных методах анализа сравнивают интенсивность электромагнитного излучения, прошедшего через образец и не прошедшего через него (рис. 19.3).

В эмиссионных спектроскопических методах исследуемые частицы тем или иным образом переводят в возбуждённое состояние. При возвращении в основное состояние они испускают электромагнитное излучение, интенсивность которого и измеряется (рис 19.3). Переход частицы в возбуждённое состояние может происходить как в результате воздействия на неё энергии электромагнитного излучения (например, при фотолюминесценции), так и в результате воздействия других видов энергии (например, фотометрия пламени).