Спектроскопия. 
Методы исследования материалов и процессов

Основные понятия и определения

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу: оно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. Согласно корпускулярной теории, излучение и поглощение энергии происходит квантами, энергия которых выражается уравнением Планка:

где И — постоянная Планка (6,5- Кг’Дж-с); о — частота колебаний; с — скорость света в вакууме (~3−10⁸ м/с); X — длина волны.

Из уравнения следует, что энергия кванта пропорциональна частоте колебания и обратно пропорциональна длине волны. Частота колебаний имеет размерность с^-1 или Гц (герц), длина волны — измеряется в долях метра: см (1СГ² м); мкм (КГ* м); нм (10~⁹м), иногда в ангстремах (1А° = 1СГ¹⁰м). Для характеристики излучения часто используют волновое число о':

т.е. число волн, приходящихся на единицу длины.

Единицей измерения чаще всего служит см^-1. Волновое число прямо пропорционально частоте и энергии квантов излучения. С помощью специальных устройств может быть получено излучение, имеющее определенную длину волны и, соответственно, одинаковую энергию квантов. Такое излучение называется монохроматическим. Электромагнитные колебания охватывают большой интервал длин волн — от километров (для радиоволн) до 10 ⁸ см (жесткое рентгеновское излучение).

Другой характеристикой электромагнитного излучения является его интенсивность, определяемая числом квантов, проходящих в единицу времени через единицу площади. Интенсивность поглощения монохроматического излучения, проходящего через вещество, характеризуется оптической плотностью D, определяемой из закона Бугера-Ламберта-Бера:

где /о — интенсивность падающего света; I — интенсивность прошедшего света; п — число моль поглощающего вещества на пути светового потока; к — постоянная, определяемая природой поглощающего вещества.

Для растворов вещества в прозрачном растворителе в данном интервале частот то же уравнение имеет вид:

где / — длина светового пути, т. е. толщина слоя раствора, см; С — концентрация вещества, моль/л; е — мольный коэффициент поглощения или коэффициент экстинкции, л/моль*см.

Коэффициент экстинкции равен интенсивности поглощения раствора, концентрация которого равна 1 моль/л, в кювете длиной 1 см. Величина е зависит от природы вещества и длины волны поглощаемого света. Иногда в качестве меры интенсивности поглощения используют коэффициент пропускания:

Величины D и Т связаны между собой соотношением D = -lgТ. Каждое вещество поглощает электромагнитное излучение определенных длин волн (частот колебаний). Область X интенсивного поглощения излучения называют полосой. Совокупность полос представляет собой спектр поглощения.

Поглощение электромагнитного излучения связано с определенными изменениями в молекуле вещества, точнее, с ее переходом на более высокий энергетический уровень. Внутренняя энергия молекулы квантована. В связи с этим количество поглощаемой энергии может иметь только строго определенные значения, т. е. поглощается излучение только определенной частоты. Этот процесс происходит в том случае, если квант излучения соответствует разности между двумя энергетическими уровнями облучаемого вещества.

Каждый тип изменений энергетических уровней молекулы имеет определенную область частот колебаний. Для исследования строения молекул чаще всего используются области, различающиеся следующими типами энергии квантов:

• • наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов, она соответствует излучению в ультрафиолетовой и видимой области;
• • меньшие затраты энергии необходимы для изменения колебательных уровней молекулы, связанных с изменением длин связей и углов между атомами, такие изменения вызывают поглощение в инфракрасной области (колебательная спектроскопия)',
• • еще меньшая энергия необходима для переориентации спин ядер, которая может вызываться квантами радиочастотного излучения (спектроскопия ядерного магнитного резонанса).

С тючки зрения энергетики переходов, в молекуле принципиальной разницы между ультрафиолетовой и видимой областью нет. Выделение видимой части спектра в самостоятельную область обусловлено субъективной причиной — границами восприятия электромагнитного излучения человеческим глазом.

Поглощение называется характеристическим, если оно вызывается определенной группой атомов, причем характер поглощения слабо меняется с изменением остальной части молекулы. Наличие в спектрах характеристических полос поглощения позволяет обнаружить в веществе определенные структурные элементы.

Таким образом, наиболее широко используемыми спектральными методами являются УФ-, ИКи ЯМР-спектро-скопия. Для установления строения веществ большое значение имеет также массспектроскопия.