Спектры поглощения различных веществ могут предоставить нам информацию об их химическом составе, молекулярной структуре и атомном строении. Область спектроскопии занимается их получением и анализом. Полученные таким образом знания можно использовать для разработки и получения новых материалов с интересными свойствами, что позволило нам создать современные самолеты, катализаторы выхлопных газов, фотогальванические элементы или литий-ионные батареи.
Спектроскопия
Изучение атомных спектров полезно не только в материаловедении — спектроскопический анализ также является основополагающим в работе реставраторов произведений искусства. Это, в том числе, позволяет понять, почему работает микроволновая печь.
Слово спектр происходит от латинского слова spectrum, означающего появление, вид или образ, а также дух или фантом. «Спектроскопия», с другой стороны, — это метод получения и изучения спектров, то есть зависимости физических величин от длины волны, частоты или энергии света. Поэтому термин «абсорбционная спектроскопия» будет использоваться для описания методов исследования, целью которых является получение спектра поглощения вещества.
Обратите внимание, что когда мы пишем о спектроскопических методах, мы используем множественное число — не существует единственного метода, называемого «абсорбционная спектроскопия». В зависимости от используемой длины волны света можно говорить о различных разновидностях абсорбционной спектроскопии (и различных спектрах поглощения). Примеры (не все!) этого семейства представлены в таблице 1.
| Тип используемого излучения | Название метода |
| Рентгеновское | Рентгеновская абсорбционная спектроскопия |
| Ультрафиолетовое и видимое | Ультрафиолетовая – видимая спектроскопия (UV-VIS-спектроскопия) |
| Инфракрасное | Инфракрасная абсорбционная спектроскопия |
| Микроволновое | Микроволновая абсорбционная спектроскопия |
| Радиоволновое | Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. |
Прежде чем двигаться дальше, давайте вспомним, что такое спектр поглощения — его получают, освещая вещество определенным излучением и исследуя излучение, которое проходит через вещество. Другими словами, если мы наблюдаем отсутствие определенных длин волн в спектре поглощения по сравнению с падающим излучением, это означает, что эти длины волн были поглощены материалом.
Схема метода поглощения показана на рис. 2, а пример спектра поглощения — на рис. 3. Это спектр поглощения солнечного излучения, полученный, когда солнечное излучение, произведенное глубоко внутри звезды, проходит через слои газа. Видимые черные линии указывают на то, что часть излучения была поглощена.
Различные виды абсорбционной спектроскопии являются мощными инструментами для изучения разнообразных свойств материалов. В таблице 2 мы привели примеры информации, которую можно получить, изучая спектры поглощения в различных спектральных диапазонах.
| Тип используемого излучения | Применение |
| Рентгеновское | Изучение расположения атомов друг относительно друга на очень малых расстояниях, изучение химического состава образца и степени окисления элементов |
| Ультрафиолетовое | Тестирование химического состава образца, тестирование концентрации растворов |
| Видимое | Изучение химического состава звезд и межзвездных облаков, изучение электронной структуры твердых тел, изучение химического состава образца, изучение концентрации растворов |
| Инфракрасное | Изучение химического состава газов, изучение типов связи между атомами, для органических соединений: определение типов функциональных групп, которые присоединяются к углеродной цепи |
| Микроволновое | Определение длин и углов связей между атомами |
| Радиоволновое | Изучение расположения атомов друг относительно друга на очень малых расстояниях, изучение степени окисления элементов в образце |
Применение
В таблице 2 мы представили типичные научные применения абсорбционной спектроскопии. Но давайте попробуем ответить на вопрос — чем могут быть полезны для нас исследованные свойства? Какую пользу мы можем извлечь из знания взаимного расположения атомов в материале или типов химических связей? Другими словами, почему эти методы так важны?
Ответ очень общий — знание перечисленных аспектов позволяет нам, в частности, связывать различные свойства материалов с их атомной структурой. Зная, как связаны свойства и структура материала, мы можем попытаться изменить эту структуру и таким образом улучшить свойства материалов. В результате мы теперь можем производить очень прочные и очень легкие композитные материалы, которые используются, например, при строительстве самолетов, все более совершенные электрические проводники, каталитические нейтрализаторы для разложения выхлопных газов автомобилей, литий-ионные батареи, фотогальванические элементы или датчики выхлопных газов или других токсичных газов.
Изучая свойства различных материалов с помощью методов абсорбционной спектроскопии, мы можем разрабатывать новые материалы с улучшенными свойствами. Например, самолет Boeing 787-8, легче предшественников в своем классе благодаря использованию в его конструкции современных композитных материалов.
Однако применение абсорбционной спектроскопии не ограничивается материаловедением. Возьмем пример из совершенно другой области — искусства! При изучении различных произведений живописи историков интересуют ответы на следующие вопросы: является ли картина, которую мы видим сегодня, той, которую художник написал изначально? Какова была техника рисования? И, наконец, не менее важный вопрос — является ли данная картина оригиналом или очень хорошо созданной копией? Методы абсорбционной спектроскопии могут дать ответы на эти вопросы!
В истории искусства часто случалось так, что художник, например, получал заказ от своего покровителя написать первый вариант той или иной картины. Если меценат не был удовлетворен результатом, художник закрашивал или перерисовывал части картины. Бывает также, что пигменты, используемые в красках, не выдержали испытания временем и в результате химических реакций изменили свой цвет — так, например, темно-зеленая краска может стать коричневой. Наконец, случается, что работа оригинального художника впоследствии «исправляется» другими. Такие изменения коснулись, например, знаменитой «Дамы с горностаем» Леонардо да Винчи, где фон за фигурой был закрашен черным, а сама дама и горностай отретушированы. Текущая версия изображения показана на рисунке 4.
На рис. 5 представлен фрагмент горностая, увиденный в инфракрасном излучении. Темные участки сильно поглощают это излучение, светлые — слабо.
Более высокое поглощение в какой-либо области может означать, что под видимым слоем может находиться более ранняя версия изображения — в данном случае более темная линия вокруг морды животного указывает на то, что в первоначальной версии изображения она была немного больше.
С другой стороны, на рис. 6 показано использование поглощения ультрафиолетового излучения. Изображение поглощает ультрафиолетовое излучение и испускает излучение в видимом свете. Состав этого света зависит от типа используемого пигмента и его элементного состава. В красной краске, которой да Винчи покрасил рукав платья портретируемой Чечилии Галлерани, присутствуют, в частности, свинец, ртуть, железо и кальций. Обратите внимание, как меняется пропорция каждого элемента в более светлых и более темных областях рукава.
Изучение химического состава пигментов также позволяет ответить на вопрос, каким был их первоначальный цвет — не изменился ли цвет, который мы видим сегодня, под воздействием, например, погодных условий. Наконец, это позволяет определить, имела ли место подделка. Если при исследовании картины обнаруживается присутствие красителей, по составу схожих с теми, которые используются сегодня, а не во время создания картины, мы можем быть уверены, что данная картина не является оригиналом.
Давайте теперь сменим тему на несколько иную — от материаловедения и искусства перейдем к изучению… воды. Мы попытаемся объяснить некоторые его свойства, основываясь на спектрах поглощения для различных диапазонов излучения.
Мы знаем, что вода прозрачна в видимом свете, но имеет легкий голубоватый оттенок. Почему? Посмотрите на рис. 7. На нем показана зависимость коэффициента поглощения воды (вертикальная ось) от длины волны падающего излучения (горизонтальная ось). Вертикальная ось показана в логарифмическом масштабе.
Из графика можно сделать два важных вывода: во-первых, коэффициент поглощения не является постоянной величиной, а зависит от длины волны (или частоты) падающего света! Во-вторых, мы видим, что длины волн, создающие впечатление фиолетового и синего цветов, поглощаются более чем в 100 раз меньше, чем те, которые ассоциируются с красным цветом! Это придает воде «голубоватый» оттенок.
Давайте теперь проанализируем другой спектр, на этот раз в области микроволнового излучения. Она представлена на рис. 8. Пунктирными линиями на рисунке показана зависимость так называемых диэлектрических потерь как функция частоты излучения и температуры. Диэлектрические потери связаны с поглощением — чем выше диэлектрические потери, тем выше поглощение излучения.
Поэтому кривые, показанные на рис. 8. можно также назвать спектрами поглощения, просто представленными с помощью других физических величин. «Диэлектрические потери» означают, что энергия падающего излучения будет поглощена материалом. Мы знаем, что поглощенная энергия направлена на увеличение интенсивности колебаний молекул воды. Макроскопически это означает, что вода повышает свою температуру при освещении микроволнами.
Можете ли вы придумать какое-нибудь применение этому явлению? Это, конечно же, микроволновая печь. Типичное устройство такого типа производит микроволны с частотой 2,45 ГГц (что соответствует длине волны около 0,12 м). Из рис. 8 видно, что диэлектрические потери на этой частоте отличны от нуля — поэтому вода, присутствующая в пище, поглощает микроволновое излучение и повышает свою температуру, что приводит к нагреванию всей пищи.
Анализируя рис. 9, можно также задать вопрос — почему мы не используем в микроволновых печах частоты, где диэлектрические потери еще выше — например, около 10 ГГц? Ведь тогда поглощение излучения происходило бы еще эффективнее, и пища нагревалась бы быстрее! Ответ связан с другим свойством излучения — чем выше коэффициент поглощения (или диэлектрические потери), тем меньше излучение проникает в материал.
Высокие диэлектрические потери означают, что большая часть излучения поглощается очень близко к поверхности. Поэтому, если бы микроволновые печи вырабатывали микроволны более высокой частоты, то нагреваемая пища была бы очень горячей в тонком слое у поверхности и становилась бы холодной в глубине. При более низких частотах микроволн поглощенная энергия более равномерно распределяется по пище.
Наконец, проанализируем зависимость коэффициента поглощения воды для широкого диапазона частот. На рисунке 9 показан диапазон видимого света, который мы обсуждали ранее. Анализируя спектр в широком диапазоне, можно увидеть, что поглощение воды в видимом диапазоне очень слабое — вода гораздо лучше поглощает волны из инфракрасного и микроволнового диапазона (что вызывает ее нагрев) и из ультрафиолетового диапазона.
Для сравнения — поглощение в ультрафиолете примерно в миллиард раз сильнее, чем в видимой области! Сильное поглощение в этой области уже связано с фотоионизацией воды — излучение поглощается молекулами воды и вызывает выбивание из них электронов.
Своим присутствием на Земле мы обязаны тому факту, что вода лишь слабо поглощает излучение видимого диапазона. Если бы вода сильно поглощала это видимое излучение, все водоемы были бы темными и мутными. Это предотвратило бы развитие водных растений, а затем и водных животных.
Список использованной литературы
- Ельяшевич М. А. Спектры оптические // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. Пойнтинга—Робертсона эффект — Стримеры. — С. 628—629. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
- Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М. : Просвещение, 2010. — 399 с.
- Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. — М.: Наука, 1979. — 479 с.
- John M. Chalmers; Peter Griffiths, eds. (2006). Handbook of Vibrational Spectroscopy. New York: Wiley. doi:10.1002/0470027320. ISBN 978-0-471-98847-2.