مفاهیم اصلی

در این آموزش با طیف گسیلی، طیف جذبی و اسپکتروفتومتر چیست آشنا خواهید شد. شما همچنین خواهید آموخت که چگونه طیف گسیلی تولید می شود. شما همچنین در مورد اسپکتروفتومتری و مکانیسم های مربوطه و همچنین کاربردهای آن در تحقیقات علمی خواهید آموخت.

موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر

ساختار یک اتم

کشف الکترون: جی جی تامسون و لوله اشعه کاتدی

اسپکتروفتومتر

قانون بیر-لامبرت

واژگان

• فوتون: ذره ای حاوی کوانتوم یا مقدار مشخصی از انرژی نور. واحد اصلی نور
• کووت: یک قطعه شیشه ای مخصوص اسپکتروفتومتری با طرفین صاف و شفاف. نمونه ها را در طول آنالیزهای اسپکتروفتومتری نگه می دارد
• منشور: دستگاه شفاف و مثلثی شکل که نور را خم می کند و طول موج های مختلف و انرژی های مربوط به آن را آشکار می کند.
• اسپکتروفتومتر: دستگاهی که شدت نور ارسالی و ساطع شده از یک ماده را کمی می کند و به طور غیرمستقیم شناسایی و اندازه گیری ماده را اطلاع می دهد.

مقدمه ای بر اسپکتروفتومتری و طیف گسیلی

اسپکتروفتومتری به تحقیقات در علوم فیزیکی، از جمله شیمی، زیست شناسی، فیزیک، زمین شناسی و نجوم کمک می کند. این توسعه در حوزه انرژی، داروسازی، مراقبت های بهداشتی، کشاورزی، تولید و پزشکی قانونی را تسهیل می کند.

اسپکتروفتومتری شامل اندازه گیری غلظت، مقدار و هویت یک ماده است. این فرآیند بینشی را در مورد سنتز پروتئین، عملکرد DNA و RNA، رشد سلول های باکتریایی، واکنش های آنزیمی و موارد دیگر ارائه می دهد. در زیر، مکانیسم ها و کاربردهای اسپکتروفتومتری را با جزئیات بیشتری پوشش می دهیم.

فوتون ها و امواج

منابع نور ذراتی به نام فوتون ساطع می کنند. این فوتون‌ها به قدری سریع حرکت می‌کنند که در یک ثانیه، هر کدام 180000 مایل را طی می‌کنند. این جریان فوتون ها شبیه شکل یک موج است. چون این موج الکترومغناطیسی از قطعات گسسته یا فوتون تشکیل شده است، پیوسته نیست.

رنگ نور در حال حرکت مطابق با طول امواج متشکل از فوتون آن است که به انرژی این فوتون ها مربوط می شود. طول موج های کوتاه تر نشان دهنده سطوح انرژی بالاتر است، در حالی که طول موج های بلندتر مربوط به سطوح انرژی پایین تر است. به عنوان مثال، همانطور که در نانومتر (nm) اندازه گیری می شود، نور آبی و بنفش طول موج های کوتاه تری را نشان می دهند، در حالی که نور قرمز طول موج های طولانی تری را نشان می دهد.

کاوش در اسپکتروفتومتر

بنابراین، رنگ‌ها و انرژی‌های مرتبط دو جزء کلیدی در تحقیقات اسپکتروفتومتری هستند. هنگامی که نور مرئی از یک منشور عبور می کند، طول موج های اجزای آن به دلیل انرژی های مختلف و سرعت های حرکت آنها تقسیم می شود. اسپکتروفتومتر اساساً به عنوان یک منشور شکوهمند عمل می کند. دانشمندان کووت هایی از مواد مختلف را در دستگاه قرار می دهند که نور را از نمونه ها عبور می دهد. هنگامی که این نور با ماده تماس می گیرد، به طول موج های مختلف خود جدا می شود

بیایید این فرآیند و پیامدهای آن را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم. مثلاً بگویید دانشمندان می خواهند اجزای یک محصول واکنش را تعیین کنند. آنها این نمونه را در اسپکتروفتومتر قرار می دهند و سپس آن را با جریان پیوسته ای از ذرات نور پر می کند. نمونه ممکن است هر طول موج متفاوتی از این نور ورودی را ارسال یا جذب کند. نور عبوری از نمونه عبور می کند، در حالی که نور جذب شده توسط نمونه گرفته می شود. اسپکتروفتومتر مقدار فوتون هایی را که در این دسته ها قرار می گیرند اندازه گیری می کند و اطلاعات را به یک صفحه نمایش دیجیتال یا طیف تبدیل می کند. فوتون های مختلف طول موج ها و انرژی های متفاوتی را منعکس می کنند و بنابراین رنگ های متفاوتی تولید می کنند که در این طیف های تولید شده ظاهر می شوند.

طیف انتشار چگونه تولید می شود؟

اسپکتروفتومترها وظیفه تولید هر دو طیف گسیلی و جذبی را بر عهده دارند. نور ابتدا از کابل های فیبر نوری عبور می کند و از طریق شکاف ورودی به اسپکتروفتومتر می رسد. این نور بر روی یک توری هدایت می شود و آن را در فرکانس های مختلف خود پراکنده می کند که با سطوح انرژی مطابقت دارد. آینه های مقعر اطمینان حاصل می کنند که این فرکانس ها سپس به یک آشکارساز منعکس می شوند.

در آشکارساز، فوتون ها به الکترون های دیجیتالی تبدیل می شوند. این اطلاعات به رایانه وارد می شود و به نرم افزار اجازه می دهد آن را به عنوان تابعی از طول موج و محدوده طیفی کالیبره و رسم کند. این مرحله نهایی طیف های گسیل و جذب فیزیکی را تولید می کند.

تمایز بین طیف انتشار و جذب

دو نوع اصلی طیف وجود دارد، طیف گسیلی و طیف جذبی. طیف‌های گسیلی شامل حرکت الکترون‌ها از سطوح انرژی پایین‌تر به سطوح بالاتر است که زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی دریافت کنند. سپس این الکترون های برانگیخته باید این انرژی را آزاد یا ساطع کنند تا به حالت پایه خود بازگردند. فرکانس های این نور ساطع شده طیف گسیلی آنها را تشکیل می دهد.

در مقابل، طیف های جذبی به فرکانس های نوری الکترون هایی که انرژی جذب می کنند مربوط می شود. این الکترون ها از حالت پایه خود به حالت انرژی بالاتر حرکت می کنند. فرکانس های این نور جذب شده طیف جذبی آنها را تشکیل می دهد.

نمودار اول در بالا نمونه ای از یک طیف انتشار را ارائه می دهد. خطوط رنگی نشان دهنده فوتون های گسسته منتقل شده با مقادیر گسسته انرژی است. نمودار دوم بالا یک طیف جذبی را نشان می دهد. هر خط سیاه نشان دهنده یک فوتون جذب شده گسسته با انرژی گسسته است.

هر عنصر خاص خود را دارد طیف انتشار و طیف جذبی، توضیح می دهد که چرا این نمایشگرها شناسایی و اندازه گیری مواد مختلف را تسهیل می کنند. به عبارت دیگر، با مقایسه طیف های تولید شده توسط محصول خود با طیف های ادبیات، دانشمندان می توانند در مورد اجزای محصول نتیجه گیری کنند.

وضوح اسپکتروفتومتر می تواند بر اساس عرض شکاف دستگاه تغییر کند. باریک کردن این شکاف، که می تواند به صورت دستی انجام شود، به اسپکتروفتومتر اجازه می دهد تا اختلافات در طول موج را محاسبه کند و طیف وضوح بالاتر را تسهیل کند.

تاریخچه طیف خط

فیزیکدان دانمارکی نیلز بور کشف کرد که در حین چرخش الکترون ها به دور یک اتم، می توانند بین سطوح انرژی حرکت کنند. هنگامی که یک الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر می پرد، در این فرآیند فوتون های نور ساطع می کند. برعکس، هنگامی که یک الکترون از سطح انرژی پایین تر به سطح انرژی بالاتر می پرد، فوتون های نور را جذب می کند.

بور این فرآیند را با استفاده از اتم هیدروژن مطالعه کرد. او مشاهده کرد که رنگ‌های متمایز نور، که با کمیت‌های انرژی خاص مطابقت دارد، در رفتار «پرش» مشاهده‌شده اختلاف ایجاد می‌کند. او طیف های توصیف کننده هیدروژن را تهیه کرد که رنگ ها و طول موج های وابسته را نشان می داد که توسط اتم جذب و منتقل می شوند. مطالعه بور در مورد الکترون ها و طیف های نور با حمایت او از الکترون ها تلاقی می کند مدل اتمی سیاره ای و از توسعه بعدی فناوری های طیف دیجیتالی شده خبر داد.

کاربردهای کنونی اسپکتروفتومتری

آنالیزهای تجربی اغلب شامل یک جزء اسپکتروفتومتری، از جمله تولید طیف گسیل و جذب هستند. اما فراتر از آزمایشگاه، محققان از اسپکتروفتومتری برای بسیاری از تحقیقات دیگر استفاده می کنند.

در حال حاضر، دانشمندان تلاش کرده‌اند تا مواد را به‌گونه‌ای تنظیم کنند که نور را در طول موج‌های مورد نظر جذب و بازتاب کنند. این کار عملکرد ماشین های خورشیدی را ساده می کند و آنها را کارآمدتر و موثرتر می کند. مواد فلورسنت نیز در حال توسعه هستند که می توانند نور را در فرکانس های از پیش تعیین شده جذب و بازتاب دهند و رنگ های جدیدی تولید کنند.

اسپکتروفتومتری نیز در زمینه های بالینی مفید بوده است. اطلاعات شناسایی از طیف‌های مختلف بینشی در مورد پاتوفیزیولوژی بیماری‌ها و همچنین تلاش‌های تشخیص غیرتهاجمی فراهم می‌کند.

علاوه بر این، بازرسان و کارآگاهان برای اطلاع از مطالعه خود در مورد شواهد جنایی به اسپکتروفتومتری روی می آورند. تکنیک‌های تحلیلی طیف‌سنجی به آن‌ها اجازه می‌دهد تا عناصر و مولکول‌ها و در نتیجه مواد موجود در صحنه‌های جرم را تشخیص دهند.