ویژه های مهامکس

مبانی طیف سنجی و کاربردهای آن در مشخصه یابی مواد

تاریح انتشار:۲۱ بهمن ۱۳۹۹
تعداد بازدید:
دسته بندی: آنالیز طیف سنجی

مبانی طیف سنجی و کاربردهای آن در مشخصه یابی مواد

یکی از راه‌های اصلی برای مطالعه خواص و مشخصه یابی مواد استفاده از روش‌های طیف سنجی است. در این مقاله مقدماتی درباره ماهیت طیف سنجی آورده شده است. وقتی یک تابش یا نور به ماده ای برخورد کند، ممکن است بخشی از نور جذب شود، بخشی از آن بازتاب کند و همچنین بخشی از آن عبور کند و یا تفرق پیدا کند. بنابراین ماده در اثر برخورد نور، می‌تواند رفتار مختلفی داشته باشد که هریک از این رفتارها می‌تواند اساس یک نوع طیف سنجی باشد.

پیشینه طیف سنجی

از نظر تاریخی اصطلاح «طیف سنجی» به شاخه‌ای از علوم اشاره دارد که نور یا تابش مرئی را به طول موج‌های تشکیل دهنده آن تفکیک می‌کند و طیف تولید شده را برای مطالعات نظری ساختار ماده، یا برای تجزیه کمی و کیفی آن به کار می‌گیرد. با این حال با گذشت زمان، معنای طیف سنجی گسترده تر شد و بدین ترتیب نه تنها استفاده از نور، بلکه استفاده از سایر طیف‌های الکترومغناطیسی را نیز در برگرفت. اساس روش‌های طیف سنجی نوری، مبتنی بر برانگیختگی اتم‌ها در اثر برخورد امواج الکترومغناطیسی به ماده و رابطه آن با جذب یا نشر پرتو الکترومغناطیس است. زمانی که الکترون‌های مدار ظرفیت به ترازهای بالاتر انرژی اتم برانگیخته می‌شوند، حالت ناپایداری برای اتم ایجاد می‌شود؛ بنابراین برای پایدار شدن اتم، الکترون‌ها باید میزان انرژی که جذب کرده بودند، از دست بدهند و به تراز اولیه شان برگردد. الکترون‌ها این میزان انرژی را در هنگام برگشت به تراز اولیه، به صورت طول موجی از انرژی تابش می‌کنند که این میزان انرژی دقیقا برابر با میزان انرژی جذب شده اولیه است. معمولا طول موج این تابش، در گستره امواج فرابنفش یا مرئی است. این جذب و نشر انرژی که ناشی از تغییر انرژی ترازهای بیرونی اتم است، برای هر اتم مقدار مشخص و منحصر به فردی دارد. بنابراین می‌توان با مطالعه طیف مربوط به این جذب یا نشر، خصوصیات اتم مورد نظر را شناسایی کرد.

طیف الکترومغناطیسی

طبق تئوری موجی، یک موج الکترومغناطیسی از دو مؤلفه‌ی میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی ساخته شده است. این میدان‌ها در حال انتشار موج در محیط، بر یکدیگر و همچنین بر جهت پیشروی موج عمود هستند. طیف الکترومغناطیسی، گستره وسیعی از طول موج‌ها و فرکانس‌ها را در برمی‌گیرد. در طیف الکترومغناطیسی، طیف مرئی یا همان گستره‌ای که چشم انسان به آن حساس است، در مقایسه با سایر نواحی طیف، بسیار باریک است (شکل ۱).

مبانی طیف سنجی و کاربردهای آن در مشخصه یابی مواد

شکل ۱- طیف الکترومغناطیسی.

میدان الکتریکی امواج الکترومغناطیسی باعث ایجاد پدیده‌هایی مثل عبور، انعکاس، انکسار یا شکست و جذب در هنگام برهمکنش با ماده می‌شود. میدان مغناطیسی امواج الکترومغناطیسی باعث ایجاد فرایندهایی مانند فرایند جذب امواج مربوط به فرکانس‌های رادیویی در رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) موثر است. امواج الکترومغناطیسی به خاطر این که در پدیده‌های گفته شده موثر هستند، در روش‌های مختلف طیف سنجی کاربرد دارند.

رفتار ماده در اثر برخورد موج الکترومغناطیسی

یک موج الکترومغناطیسی فرودی بر یک ماده که شدت I دارد، ممکن است توسط ماده عبور داده شود (IT)، جذب شود (IA) یا بازتاب داده شود (IR). طبق قانون پایستگی شدت، داریم:

I = IT + IA + IR

با توجه به رابطه بالا، موج برخوردی به چند صورت با ماده برهمکنش می‌دهد که هریک از رفتارها می‌تواند اساس یک روش طیف سنجی واقع شود. در ادامه به ترتیب به طیف سنجی جذبی، عبوری و بازتابی به طور مختصر اشاره شده است.

طیف سنجی جذبی

موج الکترومغناطیسی زمانی که از درون لایه ای از ماده که ممکن است در هریک از حالت‌های فیزیکی جامد، مایع یا گاز باشد، برخورد کند، برخی از فرکانس‌های طیف ممکن است به طور گزینشی جذب شوند؛ فرایند جذب، فرایندی که در آن انرژی الکترومغناطیسی به اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌های سازنده نمونه منتقل می‌شود. جذب باعث ارتقاء این ذرات از یک حالت معمولی پایه به حالتی برانگیخته با انرژی بیشتر می‌شود.

طبق نظریه کوانتومی، اتم‌ها، مولکول‌ها و یون‌ها فقط تعداد معدودی ترازهای انرژی گسسته دارند. بنابراین برای این که در مواد جذب صورت گیرد، باید انرژی فوتون‌های برانگیزاننده دقیقا برابر با تفاوت انرژی بین حالت پایه و یکی از حالت‌های برانگیخته ماده جاذب باشد. این تفاوت انرژی برای هر ماده ای منحصر به فرد است، بنابراین مطالعه‌ی فرکانس‌های جذب شده، ابزاری برای تشخیص اجزای سازنده ماده است. برای این هدف، نموداری از جذب ماده به صورت تابعی از طول موج و یا فرکانس به طور تجربی ترسیم می‌شود. طیف‌های جذبی معمولا شکل‌های متفاوتی دارند؛ بعضی از آن ها متشکل از تعداد زیادی پیک هستند و بعضی دیگر منحنی‌هایی پیوسته با ارتفاع کم هستند. به طور کلی ماهیت یک طیف تحت تاثیر متغیرهایی مانند پیچیدگی، حالت فیزیکی و محیط ماده جاذب قرار دارد.

طیف سنجی عبوری و طیف سنجی بازتابی

در طیف سنجی عبوری، سیگنال‌های بازتابی نادیده گرفته می‌شود و جذب از طریق کاهش در شدت IT و به صورت تابعی از بسامد ω (یا طول موج λ) مشخص می‌شود. از سوی دیگر، در طیف سنجی بازتابی، شدت عبور IT نادیده گرفته می‌شود و جذب از طریق تغییر شدت IR در نور بازتابی تعیین می‌شود. از طیف سنجی عبوری برای بررسی نمونه‌های شفاف استفاده می‌شود و از طیف سنجی بازتابی برای بررسی نمونه‌های کدر استفاده می‌شود.

روش‌های طیف سنجی را با تغییر تدریجی E، ω یا λ گستره مورد استفاده طیف الکترومغناطیسی برخوردی به نمونه انجام می‌شود و اثر آن را بر IT یا IR که در دامنه‌ی ثبت شده در طی روبش است، اندازه‌گیری کرد. در ابزارهای آشکارسازی پیشرفته‌تر، معمولا از آشکارسازهای CCD (Charge-Coupled Device) برای آشکارسازی نور استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها تغییرات پیوسته‌ی سریعی در محدوده‌ی طول موج ایجاد می‌کنند و در اتصال با پردازشگر رایانه، در زمان نسبتاً کوتاهی قادر به ثبت طیف کامل هستند.