Spektroskopi – ljusanalys som identifierar ämnen och mäter temperatur
Spektroskopi: ljusanalyser som identifierar ämnen och mäter temperatur — snabb, exakt metod för forskning, kemi och astronomi.
Spektroskopi är studiet av ljus som en funktion av längden på den våg som har avgivits, reflekterats eller lyst igenom ett fast ämne, en vätska eller en gas. För att analyseras värms kemikalien upp, eftersom varma saker lyser och varje kemikalie lyser på olika sätt. De olika våglängderna i glöden ger ett färgspektrum som i vissa detaljer skiljer sig från andra kemikalier. Spektroskopi separerar och mäter ljusstyrkan hos de olika våglängderna. Den kan identifiera kemikalierna i en blandning och bestämma en del andra saker, till exempel hur varm saken är.
Spektroskopi gör det möjligt för forskare att undersöka och utforska saker som är för små för att ses i ett mikroskop, t.ex. molekyler och ännu mindre subatomära partiklar som protoner, neutroner och elektroner. Det finns särskilda instrument för att mäta och analysera dessa ljusvågor.
Hur spektroskopi fungerar
Grundidén är att atomer och molekyler bara kan avge eller absorbera ljus vid vissa bestämda energier. När en partikel ändrar sin energinivå skickar den ut (emission) eller tar upp (absorption) fotoner med välbestämda våglängder. Ett spektrum kan därför bestå av:
- Kontinuerligt spektrum – strålning över ett brett intervall (t.ex. glödande fast material eller svartkroppsstrålning).
- Emissionslinjer – skarpa linjer där ämnet avger ljus vid bestämda våglängder.
- Absorptionslinjer – mörka linjer i ett kontinuerligt spektrum där ljus absorberas av ämnen i vägen.
Typer av spektroskopi
Det finns många varianter beroende på vad som mäts och hur ljuset interagerar med materien. Vanliga metoder är:
- Atomabsorptions- och atomspektroskopi — används för att identifiera och kvantifiera grundämnen.
- Molekylspektroskopi (infraröd, UV–vis) — ger information om molekylära bindningar och struktur.
- Raman-spektroskopi — mäter spridning av ljus och ger kompletterande strukturinformation till IR.
- Fluorescens- och fosforescensspektroskopi — studerar ljus som emitteras efter excitation.
- Masspektrometri kombineras ofta med spektroskopi för att bestämma massor och strukturer (även om den tekniskt sett inte alltid kallas spektroskopi).
Instrument och mätning
Ett spektrometer består vanligen av en ingång för ljus, ett dispergerande element (prisma eller gitter), och en detektor (t.ex. CCD). Viktiga begrepp är:
- Upplösning — förmågan att skilja två närliggande våglängder åt.
- Kalibrering — för att bestämma exakt våglängdsskala och intensitetsskala.
- Signal-till-brus-förhållande — avgör känsligheten och mätbarheten av svaga linjer.
Vad spektroskopi kan mäta
Utöver identifikation av ämnen kan spektroskopi ge information om:
- Temperatur — via svartkroppsradiering, fördelning av populationsnivåer (Boltzmannfördelning) eller linjebredd (Dopplervridning och termisk breddning).
- Rörelse/hastighet — Dopplereffekten skiftar våglängder och används för att mäta hastigheter i stjärnor, gasflöden och processer.
- Täthet och tryck — påverkar linjers form och bredd.
- Kemisk bindning och struktur — särskilt i molekylspektroskopi där vibrations- och rotationslinjer avslöjar bindningar.
Tillämpningar
Spektroskopi används i många områden, till exempel:
- Astrofysik: bestämma sammansättning, temperatur och rörelser hos stjärnor och galaxer.
- Kemi och laboratorieanalys: identifiering och kvantifiering av ämnen i prover.
- Miljöövervakning: mätning av föroreningar i luft och vatten.
- Medicinsk diagnostik: t.ex. metabolitanalys, spektroskopisk bildgivning.
- Materialvetenskap och industrikontroll: analys av tunna filmer, legeringar och processer.
Praktiska aspekter
Vid mätningar måste man ta hänsyn till bakgrundsljus, instrumentets respons, provberedning och möjliga överlappande spektrallinjer i komplexa blandningar. En noggrann analys kombinerar ofta spektroskopiska data med teoretiska modeller och laboratoriekalibreringar för att få tillförlitliga resultat.
Sammanfattningsvis är spektroskopi ett kraftfullt och mångsidigt verktyg för att identifiera ämnen och mäta fysikaliska egenskaper såsom temperatur och rörelse genom att utnyttja det faktum att materia interagerar med ljus på karakteristiska sätt.
Alkoholflamman och dess spektrum
Metoder
Infraröd spektroskopi mäter ljus i det infraröda elektromagnetiska spektrumet. Det viktigaste med IR-spektroskopi är att den är mycket användbar för att identifiera funktionella grupper i organiska molekyler. Absorptionen av infrarött ljus av organiska molekyler orsakar molekylära vibrationer. Vibrationsfrekvenserna är unika för de enskilda funktionella grupperna. IR-spektra visas grafiskt genom transmittans (%) mot vågtal (cm-1).
Med röntgenkristallografi kan man titta på strukturen hos en kristallin molekyl. Elektronmolnet från varje atom diffrakterar röntgenstrålarna och avslöjar på så sätt atomernas positioner. Olika oorganiska och organiska molekyler kan kristalliseras och användas med denna metod, bland annat DNA, proteiner, salter och metaller. Det prov som används för analysen förstörs inte.
Ultraviolett-visible spektroskopi använder synligt och ultraviolett ljus för att se hur mycket av en kemikalie som finns i en vätska. Lösningens färg är grunden för hur UV-Vis fungerar. Färgen på den lösning vi arbetar med är färgad på grund av dess kemiska sammansättning. Lösningen absorberar alltså vissa ljusfärger och reflekterar andra färger, det ljus som den reflekterar är lösningens färg. UV-Vis-spektroskopi fungerar genom att skicka ljus genom ett prov av din lösning och sedan bestämma hur mycket ljus som absorberas av lösningen.
Med kärnmagnetisk resonans kan man titta på atomkärnor. Den använder sig av de magnetiska egenskaperna hos vissa kärnor, de vanligaste är 13C och1 H. NMR-instrumentet genererar ett stort magnetfält som får kärnorna att fungera som små stavmagneter. Kärnorna kan antingen rikta sig mot instrumentets magnetfält eller mot det. Vid denna tidpunkt har vi två möjliga orienteringar kärnorna kan vara i α eller β. Därefter utsätts kärnorna för radiovågor som får α att gå till β-orientering. När denna förändring sker avges energi som detekteras. Uppgifterna tolkas grafiskt (intensitet mot kemiska skift i ppm) av ett datorsystem. NMR förstör inte det prov som du använder för analysen. Nedan visas ett 900 MHz NMR-system.
Relaterade sidor
- Absorptionsspektroskopi
- Astronomisk spektroskopi
- Spektroskopi inom tidsdomänen
- Augerelektronspektroskopi
Frågor och svar
F: Vad är spektroskopi?
S: Spektroskopi är studiet av ljus som en funktion av längden på den våg som har avgivits, reflekterats eller skenat genom ett fast ämne, en vätska eller en gas.
F: Varför värmer kemister upp en kemikalie under spektroskopi?
S: Varje kemikalie lyser på olika sätt när den värms upp, och spektroskopi analyserar kemikaliens glöd för att bestämma dess våglängdsfärgspektrum som skiljer sig från andra.
F: Hur skiljer spektroskopi mellan olika kemikalier?
S: Spektroskopi separerar och mäter ljusstyrkan hos de olika våglängderna i kemikaliers glöd.
F: Vad kan spektroskopi fastställa utöver att identifiera kemikalier?
S: Spektroskopi kan avgöra hur varmt det som analyseras är.
F: Vad är fördelen med spektroskopi?
S: Spektroskopi gör det möjligt för forskare att undersöka och utforska saker som är för små för att ses genom ett mikroskop, t.ex. molekyler och subatomära partiklar.
F: Vad krävs för att mäta och analysera ljusvågor i spektroskopi?
S: Det krävs specialinstrument för att mäta och analysera ljusvågor i spektroskopi.
F: Vilka är några exempel på subatomära partiklar som kan undersökas med spektroskopi?
S: Subatomära partiklar som protoner, neutroner och elektroner kan undersökas med spektroskopi.
Sök