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Espectroscopia

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Análise de luz branca por dispersando-o com um prisma é um exemplo de espectroscopia.

Spectroscopy (pron .: / s p ɛ k t r ɒ s k ə p Eu /) É o estudo da interacção entre a matéria e energia irradiada. Historicamente, espectroscopia originado através do estudo de luz visível disperso de acordo com a sua comprimento de onda, por exemplo, por um prisma. Mais tarde, o conceito foi expandido enormemente para compreender qualquer interacção com a energia radiativa em função do seu comprimento de onda ou freqüência. Dados espectroscópicos é freqüentemente representado por um espectro, um gráfico da resposta de interesse como uma função do comprimento de onda ou da frequência.

Introdução

Espectroscopia e espectrografia são termos utilizados para referir-se à medição da intensidade de radiação como uma função do comprimento de onda e são frequentemente usadas para descrever métodos espectroscópicos experimentais. Dispositivos de medição espectral são referidos como espectrômetros, espectrofotômetros, espectrógrafos ou analisadores espectrais.

Observações diárias de cor pode ser relacionada com a espectroscopia. Iluminação de néon é uma aplicação direta da espectroscopia atômica. Neon e outros gases nobres têm cores de emissão características, e lâmpadas de néon usar a eletricidade para excitar estas emissões. Tintas, e corantes tintas incluem compostos químicos seleccionados pelas suas características espectrais, a fim de gerar as cores e matizes específicos. Um comumente encontradas espectro molecular que é de dióxido de azoto. Dióxido de azoto gasoso tem uma característica vermelha característica de absorção, e isso dá o ar poluído com o dióxido de azoto uma cor marrom avermelhada. Espalhamento Rayleigh é um fenômeno espectroscópica espalhando que representa a cor do céu.

Estudos espectroscópicos foram fundamentais para o desenvolvimento da mecânica quântica e incluídos de Max Planck explicação radiação de corpo negro, de Albert Einstein explicação do efeito fotoelétrico e de Niels Bohr explicação da estrutura atômica e espectros. Espectroscopia é usado em física e química analítica porque átomos e moléculas têm espectros único. Estes espectros pode ser interpretado para derivar informações sobre os átomos e moléculas, e podem também ser utilizados para detectar, identificar e quantificar produtos químicos. Espectroscopia também é usado em astronomia e sensoriamento remoto. A maioria das pesquisas telescópios têm espectrógrafos. Os espectros medidos são usados para determinar a composição química e Propriedades físicas de astronómicas objectos (tais como a sua temperatura e velocidade ).

Teoria

Um dos conceitos centrais em espectroscopia é uma ressonância e a sua correspondente frequência de ressonância. As ressonâncias foram inicialmente caracterizadas em sistemas mecânicos tais como pêndulos. Sistemas mecânicos que vibram ou oscilam vai experimentar grandes oscilações de amplitude quando eles são movidos em sua freqüência ressonante. Um lote de amplitude de freqüência vs. excitação terá um pico centrado na freqüência de ressonância. Este lote é um tipo de espectro, com o pico muitas vezes referido como um A linha espectral, e a maioria das linhas espectrais têm uma aparência semelhante.

Em sistemas mecânicos quânticos, a ressonância análogo é um acoplamento de duas mecânica quântica estados estacionários de um sistema, como um átomo , através de uma fonte de energia oscilatório como um fóton . O acoplamento dos dois estados é mais forte quando a energia da fonte de energia corresponde a diferença entre os dois estados. A energia (E) de um fóton está relacionada à sua frequência (\ Nu) por E = h \ nu onde h é A constante de Planck, e por isso um espectro de resposta do sistema versus frequência de fotões atingirá um pico de frequência ressonante ou energia. Partículas como os elétrons e nêutrons têm uma relação comparável, o relações de Broglie, entre a sua energia cinética e seu comprimento de onda e freqüência e, portanto, também pode excitar interações ressonantes.

Os espectros de átomos e moléculas consistem muitas vezes de uma série de linhas espectrais, cada um representando uma ressonância entre dois estados quânticos diferentes. A explicação destas séries, e os padrões espectrais associados a eles, eram um dos enigmas experimentais que levaram ao desenvolvimento e aceitação da mecânica quântica. O espectro do átomo de hidrogênio, em particular, foi explicada com sucesso pela primeira Rutherford-Bohr modelo quântico do átomo de hidrogênio. Em alguns casos, as linhas espectrais estão bem separados e distinguíveis, mas as linhas espectrais podem também sobrepor-se e parecem ser um único transição se o densidade de estados de energia é alta o suficiente.

Classificação dos métodos

Espectroscopia é um campo suficientemente amplo que existem muitas sub-disciplinas, cada uma com inúmeras implementações de técnicas espectroscópicas específicas. As várias implementações técnicas e podem ser classificados de várias formas.

Tipo de energia radiativa

Tipos de espectroscopia distinguem-se pelo tipo de energia radiativa envolvidos na interacção. Em muitas aplicações, o espectro é determinada medindo as alterações na intensidade ou a frequência dessa energia. Os tipos de energia radiativa estudados incluem:

  • A radiação eletromagnética foi a primeira fonte de energia utilizada para estudos espectroscópicos. Técnicas que utilizam radiação eletromagnética são normalmente classificadas por região do comprimento de onda do espectro e incluem micro-ondas, terahertz, infravermelho, infravermelho próximo, visível e ultravioleta, de raios-x e espectrografia de raios gama.
  • As partículas, devido à sua Broglie comprimento de onda, também pode ser uma fonte de energia radiante e ambos elétrons e neutrões são comumente usados. Para uma partícula, a sua energia cinética determina o seu comprimento de onda.
  • Espectroscopia acústico envolve ondas de pressão de radiação.
  • Os métodos mecânicos pode ser empregue para transmitir energia radiante, semelhante a ondas acústicas, para materiais sólidos.

Natureza da interacção

Tipos de espectroscopia também podem ser distinguidos pela natureza da interacção entre a energia e o material. Essas interações incluem:

  • A absorção ocorre quando a energia a partir da fonte de radiação é absorvida pelo material. Absorção é geralmente determinada por medição da fracção de energia transmitida através do material; absorção irá diminuir a porção transmitida.
  • Emissão indica que a energia radiativa é liberado pelo material. De um material espectro de corpo negro é um espectro de emissão espontânea determinada pela sua temperatura. Emissão também pode ser induzida por outras fontes de energia, tais como chamas ou faíscas ou radiação eletromagnética, no caso de fluorescência.
  • Espalhamento elástico e espectroscopia de reflexão determinar como a radiação incidente é reflectida ou dispersa por um material. Cristalografia emprega o espalhamento da radiação de alta energia, tal como raios-x e electrões, para examinar a disposição de átomos de proteínas e cristais sólidos.
  • Espectroscopia de impedância estuda a capacidade de um meio para retardar ou impedir a transmissão de energia. Para aplicações ópticas , esta é caracterizada por o índice de refração.
  • Fenômenos espalhamento inelástico envolvem uma troca de energia entre a radiação ea matéria que muda o comprimento de onda da radiação espalhada. Estes incluem E Raman Espalhamento Compton.
  • Espectroscopia de ressonância coerente ou são técnicas em que os casais energia radiativa dois estados quânticos do material em um interacção coerente que é sustentada pelo campo de radiação. A coerência pode ser interrompido por outras interacções, tais como colisões de partículas e a transferência de energia, e por isso, muitas vezes requerem radiação de alta intensidade para ser sustentada. ressonância magnética nuclear (NMR) de ressonância é um método amplamente utilizado e métodos de laser ultra-rápidos também são agora possíveis nas regiões espectrais infravermelhas e visíveis.

Tipo de material

Estudos espectroscópicos são projetados de modo que a energia radiante interage com tipos específicos de assunto.

Atoms

Espectroscopia atómica foi a primeira aplicação da espectroscopia desenvolvido. Espectroscopia de absorção atômica (AAS) e espectroscopia de emissão atômica (AES) envolvem luz visível e ultravioleta. Estas absorções e emissões, muitas vezes referida como linhas espectrais atômicas , são devido a transições eletrônicas de um escudo do elétron exterior para um estado animado. Atoms também têm espectros de raios-x distinta que são atribuíveis à excitação de elétrons das camadas internas para estados excitados.

?tomos de diferentes elementos têm espectros distintos e, por conseguinte, espectroscopia atómica permite a identificação e a quantificação da composição elementar de uma amostra. Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff descobriu novos elementos, observando seus espectros de emissão. Linhas de absorção atómica são observados no espectro solar e referido como Linhas de Fraunhofer após seu descobridor. Uma explicação abrangente do espectro do hidrogênio foi um sucesso no início da mecânica quântica e explicando a Cordeiro deslocamento observado no espectro de hidrogénio conduziu ao desenvolvimento de eletrodinâmica quântica.

Implementações modernas de espectroscopia atômica para estudar transições visível e ultravioleta incluem espectroscopia de emissão de chama, espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado, fulgor espectroscopia de descarga, espectroscopia de microondas induzido plasma, e faísca ou espectroscopia de emissão arco. As técnicas para estudar os espectros de raios-X incluem Raios-X e espectroscopia Fluorescência de raios-X (XRF).

Moléculas

A combinação de átomos em moléculas leva à criação de tipos únicos de estados energéticos e, por conseguinte, exclusivo espectros das transições entre estes estados. Espectros moleculares podem ser obtidos devido a estados de spin de elétrons ( ressonância paramagnética eletrônica), rotações moleculares, vibração molecular e estados eletrônicos. Rotações são movimentos coletivos dos núcleos atômicos e, normalmente, levar a espectros no microondas e ondas milimétricas-regiões do espectro; espectroscopia de rotação e espectroscopia de microondas são sinônimos. As vibrações são movimentos relativos dos núcleos atómicos e são estudados por ambos e infravermelho Espectroscopia Raman. Excitações eletrônicas são estudadas usando espectroscopia ultravioleta e visível, bem como espectroscopia de fluorescência.

Estudos em espectroscopia molecular levaram ao desenvolvimento do primeiro maser e contribuiu para o desenvolvimento posterior do laser de .

Os cristais e os materiais expandidos

A combinação de átomos ou moléculas em forma de cristais ou de outras formas estendidas leva à criação de estados energéticos adicionais. Esses estados são numerosas e, portanto, têm uma alta densidade de estados. Esta alta densidade muitas vezes faz com que o espectro mais fraco e menos distinta, ou seja, mais amplo. Por exemplo, radiação de corpo negro é devido aos movimentos térmicos dos átomos e moléculas dentro de um material. Respostas acústicas e mecânicas são devido a movimentos coletivos também.

Cristais puros, no entanto, pode ter transições espectrais distintas e o arranjo de cristal também tem um efeito sobre o espectro molecular observado. O regulares estrutura de rede de cristais também espalha raios-x, elétrons ou nêutrons permitindo estudos de cristalografia.

Núcleos

Os núcleos também têm estados de energia diferentes que são amplamente separadas e levar a espectros de raios gama. Distinct estados de spin nuclear pode ter a sua energia separados por um campo magnético, e isso permite a espectroscopia de RMN .

Outros tipos

Outros tipos de espectroscopia são distinguidos por aplicações ou implementações específicas:

  • Espectroscopia de Auger é um método utilizado para estudar as superfícies de materiais numa escala micro. Ele é frequentemente utilizado em ligação com microscopia eletrônica.
  • Anel para baixo espectroscopia cavidade
  • Espectroscopia de Dicroísmo Circular
  • Espectroscopia Raman anti-Stokes coerente (CARS) é uma técnica recente que tem alta sensibilidade e aplicativos poderosos para espectroscopia in vivo e de imagem.
  • Vapor frio espectroscopia de fluorescência atômica
  • Espectroscopia de correlação compreende vários tipos de espectroscopia de RMN bidimensional.
  • De nível profundo transitória concentração medidas de espectroscopia e analisa parâmetros de defeitos eletricamente ativos em materiais semicondutores
  • Interferometria dupla polarização mede os componentes real e imaginária do índice de refração complexo
  • Espectroscopia de EPR
  • Espectroscopia de força
  • Espectroscopia de transformada de Fourier é um método eficiente para o processamento de dados dos espectros obtidos usando interferómetros. Transformada de Fourier espectroscopia no infravermelho (FTIR) é uma implementação comum de espectroscopia de infravermelho. RMN também emprega Transformadas de Fourier.
  • Espectroscopia Hadron estuda a / espectro de massa de energia de acordo com a hádrons rotação, paridade, e outras propriedades das partículas. Espectroscopia e baryon espectroscopia de mésons são os dois tipos de espectroscopia de hádrons.
  • Imagem hiperespectral é um método para criar uma imagem completa do ambiente ou vários objetos, cada pixel, que contém um total visível, VNIR, NIR, ou espectro infravermelho.
  • Espectroscopia de tunelamento de elétrons inelástica (IETS) utiliza as mudanças na corrente devido a interação elétron-vibração inelástica a energias específicas que também pode medir transições opticamente proibidas.
  • Dispersão de neutrões inelástica é semelhante a espectroscopia de Raman, mas utiliza neutrões em vez de fotões .
  • Induzida por Laser Breakdown Spectroscopy (LIBS), também chamada espectrometria de plasma induzido por laser (LIPS)
  • Usos espectroscopia a laser lasers ajustáveis e outros tipos de fontes de emissão coerentes, como osciladores paramétricos ópticos, para excitação selectiva de espécies atômicas ou moleculares.
  • A espectroscopia de massa é um termo utilizado para se referir histórico de espectrometria de massa . As recomendações atuais são para usar o último termo. A utilização de espectroscopia de massa o termo originado no uso de telas de fósforo para detectar íons.
  • Espectroscopia Mössbauer investiga as propriedades específicas isotópicas núcleos em diferentes ambientes atômicos através da análise da absorção de ressonância raios-gama. Veja também Efeito Mössbauer.
  • Neutron eco de spin medidas de espectroscopia dinâmica interna em proteínas e outros sistemas de matéria macia
  • Espectroscopia fotoacústica mede as ondas de som produzidas mediante a absorção de radiação.
  • Espectroscopia de fotoemissão
  • Medidas de espectroscopia Fototérmica calor libertado após a absorção de radiação.
  • Espectroscopia bomba-sonda pode usar pulsos de laser ultra-rápidos para medir intermediários de reação na escala temporal de femtossegundos.
  • Espectroscopia Raman explora atividade óptica Raman e efeitos ópticos de atividade para revelar informações detalhadas sobre centros quirais em moléculas.
  • Espectroscopia Raman
  • Espectroscopia saturado
  • Espectroscopia de tunelamento
  • Espectrofotometria
  • Medidas de espectroscopia resolvida no tempo a taxa (s) decaimento de estados excitados usando vários métodos espectroscópicos.
  • Time-estiramento Spectroscopy
  • Radiação térmica medidas de espectroscopia de infravermelhos térmica emitida a partir de materiais e de superfícies e é usado para determinar o tipo de ligações presentes numa amostra, bem como o seu ambiente de rede. As técnicas são amplamente utilizadas pelos químicos orgânicos, mineralogistas, e cientistas planetários.
  • Espectroscopia ultravioleta fotoeletrônica (UPS)
  • Espectroscopia de dicroísmo circular vibracional
  • Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS)

Aplicações

  • Estimativa resistido tempos de exposição de madeira usando espectroscopia no infravermelho próximo.
  • Monitoramento de cura compósitos que utilizam fibras ópticas
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