Диапазон поглощения

редактировать
Диапазон электромагнитного спектра, характерный для определенный переход от начального состояния к конечному в веществе Полосы поглощения в атмосфере Земли, создаваемые парниковыми газами, и результирующее воздействие на проходящую радиацию.

Согласно квантовая механика, атомы и молекулы могут удерживать только определенные определенные количества энергии или существовать в определенных состояниях. Когда такие кванты электромагнитного излучения испускаются или поглощаются атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы из исходного состояния в конечное состояние. Полоса поглощения представляет собой диапазон длин волн, частот или энергий в электромагнитном спектре, которые характерны для конкретного перехода от начального к конечное состояние в веществе.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Электромагнитные переходы
  • 3 Форма полосы и линии
  • 4 Типы
    • 4.1 Электронные переходы
    • 4.2 Колебательные переходы
    • 4.3 Вращательные переходы
    • 4.4 Другие переходы
  • 5 Применение
  • 6 Полосы поглощения, представляющие интерес для атмосферных физиков
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки

Обзор

Согласно квантовой механике, атомы и молекулы могут удерживать только определенные определенные количества энергии или существовать в определенных состояниях. Когда электромагнитное излучение поглощается атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы с начального состояния на конечное состояние. Число состояний в определенном диапазоне энергий дискретно для газообразных или разбавленных систем с дискретными уровнями энергии. Конденсированные системы, такие как жидкости или твердые тела, имеют непрерывное распределение плотности состояний и часто имеют непрерывные энергетические зоны. Для того чтобы вещество изменило свою энергию, оно должно делать это в несколько этапов путем поглощения фотона. Этот процесс поглощения может перемещать частицу, например электрон, из занятого состояния в пустое или незанятое состояние. Он также может перемещать целую колеблющуюся или вращающуюся систему, например молекулу, из одного колебательного или вращательного состояния в другое, или он может создавать квазичастицу, такую ​​как фонон или плазмон. в твердом теле.

Электромагнитные переходы

Схематическая диаграмма электромагнитного поглощения

Когда фотон поглощается, электромагнитное поле фотона исчезает, поскольку оно инициирует изменение состояния системы, которая поглощает фотон. Энергия, импульс, угловой момент, магнитный дипольный момент и электрический дипольный момент переносятся от фотона в систему. Поскольку существуют законы сохранения , которые должны выполняться, переход должен соответствовать ряду ограничений. Это приводит к серии правил выбора . Невозможно выполнить переход, который находится в наблюдаемом диапазоне энергии или частоты.

Сила процесса электромагнитного поглощения в основном определяется двумя факторами. Во-первых, важно понимать, что переходы, которые изменяют только магнитный дипольный моментсистемы, намного слабее, чем переходы, которые изменяют электрический дипольный момент и что переходы в моменты более высокого порядка, такие как квадрупольные переходы, слабее, чем дипольные переходы. Во-вторых, не все переходы имеют одинаковый элемент матрицы перехода, коэффициент поглощения или сила осциллятора.

Для некоторых типов полос или спектроскопических дисциплин температураи статистическая механика играет важную роль. Для (дальнего) инфракрасного, микроволн и радиочастоты диапазоны зависимых от температуры чисел занятия состояний и разницы между Bose -Статистика Эйнштейна и Статистика Ферми-Дирака определяет интенсивность наблюдаемого поглощения. Для других диапазонов энергий эффекты теплового движения, такие как доплеровское уширение, могут определять ширину линии .

Полоса и форма линии

Спектр мессбауэровского поглощения Fe с очень четкими линиями

Существует большое разнообразие форм полос и линий поглощения, и анализ формы полосы или линии может использоваться для определения информации о системе, которая их вызывает. Во многих случаях удобно предположить, что узкая спектральная линия является лоренцевой или гауссовой, в зависимости от механизма распада или температурных эффектов как Доплеровское расширение. Анализ спектральной плотности и интенсивностей, ширины и формы спектральных линий иногда может дать много информации о наблюдаемой системе, как это делается с мессбауэровскими спектрами.

В системах с очень большим количеством состояний, таких как макромолекулы и большие сопряженные системы, отдельные энергетические уровни не всегда могут быть различимы в спектре поглощения. Если известен механизм уширения линий и форма спектральной плотности четко видна в спектре, можно получить желаемые данные. Иногда для анализа достаточно знать нижнюю или верхнюю границу полосы или ее положение.

Для конденсированного вещества и твердых тел форма полос поглощения часто определяется переходами между состояниями в их непрерывных распределениях плотности состояний. Для кристаллов электронная зонная структура определяет плотность состояний. В текучих средах, стеклах и аморфных твердых телах отсутствует дальняя корреляция, и дисперсионные отношения изотропны. Это упрощает расчет плотности состояний для формы полос поглощения. Для комплексов с переносом заряда и сопряженных систем ширина полосы определяется множеством факторов.

Типы

Электронные переходы

Электромагнитные переходы в атомах, молекулах и конденсированных средах в основном происходят при энергиях, соответствующих УФ и видимому часть спектра. Основные электроны в атомах и множество других явлений наблюдаются с помощью различных марок XAS в диапазоне энергий рентгеновских лучей. Электромагнитные переходы в атомных ядрах, наблюдаемые в мессбауэровской спектроскопии, имеют место в гамма-лучевой части спектра. Основными факторами, вызывающими уширение спектральной линии в полосу поглощения молекулярного твердого тела, являются распределения колебательной и вращательной энергий молекул в образце (а также их возбужденных состояний). В твердых кристаллах форма полос поглощения определяется плотностью состояний начальных и конечных состояний электронных состояний или колебаниями решетки, называемыми фононами, в кристаллической структуре. В газофазной спектроскопии можно различить тонкую структуру , обусловленную этими факторами, но в спектроскопии в состоянии раствора различия в молекулярном микросреде дополнительно расширяют структуру, давая гладкие полосы. Полосы электронных переходов молекул могут иметь ширину от десятков до нескольких сотен нанометров.

Колебательные переходы

Колебательные переходы и оптические фононные переходы происходят в инфракрасной части спектра на длинах волн около 1-30 микрометров.

Вращательные переходы

Вращательные переходы происходят в дальней инфракрасной и микроволновой областях.

Другие переходы

Полосы поглощения в радиочастотном диапазоне обнаруживаются в ЯМР-спектроскопии.. Частотные диапазоны и интенсивности определяются магнитным моментом ядер, которые наблюдаются, приложенным магнитным полем и температурными различиями числа заполнения магнитных состояний.

Области применения

Материалы с широкими полосами поглощения применяются в пигментах, красителях и оптических фильтрах. Диоксид титана, оксид цинка и хромофор применяются в качестве поглотителей и отражателей ультрафиолетового излучения в солнцезащитном креме.

. Полосы поглощения, представляющие интерес для атмосферных физиков

В кислород :

  • очень сильный, от 67 до 100 нанометров в ультрафиолете (назван в честь Джона Дж. Хопфилда );
  • диффузная система между 101,9 и 130 нанометрами;
  • континуум Шумана-Рунге, очень сильный, между 135 и 176 нанометрами;
  • полосы Шумана-Рунге между 176 и 192,6 нм (названы в честь Виктора Шумана и Карл Рунге );
  • от 240 до 260 нанометров (назван в честь Герхарда Герцберга );
  • , атмосферные полосы от 538 до 771 нанометров в видимом спектре; включая кислород δ (~ 580 нм), γ ( ~ 629 нм), B (~ 688 нм) и A-диапазон (~ 759-771 нм)
  • система в инфракрасном диапазоне примерно на 1000 нанометров.

In озон :

  • от 200 до 300 нанометров в ультрафиолете с очень интенсивным максимальным поглощением на 255 нанометров (назван в честь Уолтера Ноэля Хартли );
  • , слабое поглощение между 320 и 360 нанометрами (названо в честь сэра Уильяма Хаггинса );
  • полосы Чаппюи (иногда написано с ошибками " Чаппиус "), слаборассеивающая система между 375 и 650 нанометрами в видимом спектре (названа в честь); и
  • в инфракрасном диапазоне за пределами 700 нм, с центром на 4700, 9600 и 14100 нанометров, последний является наиболее интенсивным (назван в честь Оливера Р. Вульф ).

В азот :

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-08 19:44:21
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте