Оптическая и колебательная микроскопия

 

Оптическая спектроскопия — спектроскопия в оптическом (видимом) диапазоне длин волн с примыкающими к нему ультрафиолетовым и инфракрасным диапазонами (от нескольких сотен нанометров до единиц микрон). Этим методом получено подавляющее большинство информации о том, как устроено вещество на атомном и молекулярном уровне, как атомы и молекулы ведут себя при объединении в конденсированные вещества.

Особенность оптической спектроскопии по сравнению с другими видами спектроскопии состоит в том, что большинство структурно организованной материи (крупнее атомов) резонансно взаимодействует с электромагнитным полем именно в оптическом диапазоне частот. Поэтому именно оптическая спектроскопия используется в настоящее время очень широко для получения информации о веществе.

Оптическая спектроскопия зародилась в 1802 году, когда были открыты Фраунгоферовы линии — темные линии в спектре Солнца. Эти линии заново открыл и описал Фраунгофер в 1814 году. В 60-е годы XIX века Кирхгоф дал почти правильную трактовку этих линий, считая, что это линии поглощения, обусловленные наличием в атмосфере Солнца различных газов, и что с каждым газом связана определенная линия.

Целенаправленная научная спектроскопия началась в 1853 году, когда Андрес Йонас Ангстрем сопоставил линии излучения газов с различными химическими элементами — так зародился новый метод получения информации о составе веществ — спектральный анализ.

Оптическая спектроскопия сильно повлияла на развитие физики в целом. Квантовая механика была создана и подтверждена в значительной степени благодаря спектроскопическим исследованиям. Квантовая электродинамика была создана на основе радиоспектроскопии (спектроскопии в радиодиапазоне). Считается, что её положения были подтверждены экспериментально после того, как был зарегистрирован Лэмбовский сдвиг.

Колебательная спектроскопия — раздел молекулярной спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения, обусловленные квантовыми переходами между колебательными уровнями энергии молекул. Диапазон частот колебательных переходов — от 3·1011 до 1014 Гц (волновое число от 10 до примерно 40000 см−1).

Колебательные спектры могут быть получены либо в результате непосредственного поглощения веществом инфракрасного излучения, либо при поглощении видимого и ультрафиолетового излучения, когда часть поглощённой энергии расходуется на возбуждение молекул, а большая часть реэмиттируется веществом. Соответственно колебательная спектроскопия подразделяется на инфракрасную спектроскопию и спектроскопию комбинационного рассеяния (рамановскую).

Инфракрасные спектры делятся по диапазону: ближний (от 4500 см−1 до 40000 см−1), средний (400 — 4500 см−1) и дальний (10 — 400 см−1).

В химии колебательная спектроскопия используется для получения информации о структуре молекулы, для количественного анализа, для качественного анализа; при этом спектры обычно интерпретируются на основе привлечения эмпирических закономерностей.

Частоты колебательных спектров используются также для расчёта силовых полей молекул, то есть для определения различного типа сил взаимодействия атомов в молекуле. Так называемые силовые постоянные для значительного числа групп атомов обладают свойством переносимости, то есть постоянством в рядах сходных по строению молекул.

С помощью классического рассмотрения можно понять причину, по которой интенсивности комбинационных (рамановских) и инфракрасных линий данной частоты могут значительно отличаться друг от друга.

Действительно, интенсивность комбинационной линии частоты w определяется тем, насколько значительно меняется поляризуемость молекулы, а при колебании молекулы, соответствующем этой частоте.

Интенсивность же инфракрасной линии абсорбции той же частоты будет зависеть от того, насколько хорошо способно возбуждаться это колебание под действием инфракрасного света подходящей частоты, т. е. насколько хорошо реагирует молекула на электромагнитное поле приходящей волны.

Эта реакция определяется изменениями электрического момента молекулы при соответствующем колебании. Эти два изменения - изменение поляризуемости и изменение электрического момента - могут быть по-разному выражены при различных колебаниях. Поэтому одни из этих колебаний будут лучше представлены в инфракрасных спектрах, другие – в комбинационных.