Spektroskoopia

Spektroskoopia on füüsikaharu, mis uurib kiirguse interaktsiooni ainega, s.t kiirguse neeldumist, emissiooni ja hajumist. Optikast eristab spektroskoopiat optiliste nähtuste toimemehhanismi selgitamise asemel nende nähtuste sõltuvuse uurimine kiirguse lainepikkusest. Spektriks ehk spektraalkarakteristikaks nimetataksegi optilise nähtuse (nt valguse neeldumine aines) sõltuvust lainepikkusest. Spektroskoopia uurimisobjektiks pole niisiis mitte igasugune kiirgus, vaid selline, mis on olnud interaktsioonis ainega ja kannab infot aine kohta. Traditsiooniliselt on spektroskoopias kasutatud elektromagnetkiirgust, kuid nüüdisajal on definitsiooni laiendatud ka osakeste (elektronide, prootonite ja ioonide) kiirgusele ning sel juhul uuritakse optiliste nähtuste sõltuvust osakeste (kokkupõrke-) energiast.

Ajalugu

Nimetus spektroskoopia on kokku liidetud ladinakeelsest sõnast spectrum (eesti keeles "vaatluspilt") ja kreekakeelsest verbist skopeo (ee. k. "vaatlen"). Algselt tegeleski spektroskoopia vaid nähtava valguse uurimisega.
Termini "spekter" võttis esimesena kasutusele Sir Isaac Newton 1666. aastal, kes taipas, et valget valgust on võimalik prisma abil komponentideks ehk spektriks lahutada selgitades seeläbi ka vikerkaare tekkemehhanismi. Oma katse käigus ehitas Newton esimese spektroskoobi. 19. sajandi alguses avastasid William Herschel ja J. W. Ritter, et Päikese kiirgusel on lisaks nähtavale veel infrapunane ja ultravioletne komponent.
1814. aastal taasavastas Joseph von Fraunhofer tumedad jooned Päikese spektris. Neid oli juba 1802. aastal märganud inglise teadlane W. Wollaston. Fraunhofer uuris ja kirjeldas jooni põhjalikult, kuid tal puudus arusaam nende tekkimise põhjuste kohta. Tumedaid spektrijooni ehk neeldumisjooni tuntakse nüüd Fraunhoferi joontena. Fraunhofer oli esimene, kes uuris teiste tähtede ja planeetide spektreid, saades nii üheks astrofüüsika rajajaks. Fraunhofer leiutas Thomas Youngi tööle tuginedes difraktsioonivõre ja pani sellega aluse kvantitatiivsele spektroskoopiale. Nimelt on difraktsioonivõre kasutades võimalik kindlaks teha spektrijoonte täpsed lainepikkused. Prisma korral sõltub aga difraktsiooninurk klaasi omadustest ning valguse absoluutset lainepikkust ei ole võimalik määrata.
Fraunhoferi joonte tekkimise põhjused selgusid aga alles 1859. aastal. Gustav Kirchhoff ja Robert Bunsen leidsid, et igal elemendil ja ühendil on oma spekter. Seega saab spektri uurimise abil kindlaks teha aine keemilise koostise. Nii pandi alus spektrokeemilisele analüüsile, mis on tänini ainus meetod tähtede keemilise koostise uurimiseks. Tuginedes 19. sajandi alguses tehtud avastustele emissiooni- ja neeldumisspektrite vallas, jõudis Kirchhoff järeldusele, et Päikese kuumast sisemusest lähtuva kiirguse pideva spektri muudavad katkendlikuks Päikese atmosfääris olevate jahedamate elementide neeldumisjooned.  Kirchhoff ega tema kaasaegsed ei suutnud aga selgitada, miks eri elementidel on erinevad spektrijooned ning millest sõltub nende lainepikkus. Nendele küsimustele vastas 20. sajandi alguses tekkinud kvantmehaanika.

Teoreetiline taust

Spektrijoonte lainepikkused määrab aatomi struktuur. Juba Niels Bohri vesinikuaatomi mudel näitas, et elektronidel peavad aatomis olema diskreetsed energiatasemed. Keerulisemate aatomite juures aga tema teooria ei töötanud ning selguse tõi alles kvantmehaanika.
Kui aatom neelab energiakvandi ehk footoni, toimub üleminek ergastatud olekusse. Ergastatud olekust võib elektron seejärel langeda tagasi madalamale energianivoole ja kiirata kvandi (footoni), mille energia vastab kahe energiataseme vahele. Kvantmehaanika abil on võimalik kirjeldada kõigi aatomite ja lihtsamate molekulide spektreid.
Spektrijoonte üha täpsem mõõtmine tekitas aga vajaduse veelgi parema ennustusvõimega teoreetilise mudeli järele, mis saavutati relativistliku kvantmehaanika ja seejärel kvantelektrodünaamika abil, mis suudab kirjeldada ka spektrijoonte peenstruktuuri. Kvantelektrodünaamika on täielik kirjeldus aine ja kiirguse vastasmõjust ning ükski teine füüsikateooria ei suuda ennustada mõõdetavat suurust samasuguse täpsusega.
Spektroskoopiliste mõõtmiste tundlikkus on nii suur, et tänapäeval on võimalik eristada 1 aatomit 10²⁰ teise elemendi aatomite või isegi sama elemendi teiste isotoopide hulgast. Sagedusest on tänu spektroskoopiale saanud kõige täpsemini mõõdetav füüsikaline suurus: laserite abil on võimalik eristada suhtelisi sageduse nihkeid suurusjärgus 10⁻¹⁵.
Kuigi spektroskoopias räägitakse sõltuvusest lainepikkusest, võib selle asendada ka elektromagnetlaine sageduse uurimisega. Lainepikkus λ ja sagedus ν on seotud pöördvõrdeliselt lihtsa võrrandiga λ = c/(nν), kus c tähistab elektromagnetlaine leviku kiirust vaakumis ja n on aine murdumisnäitaja (vaakumis n=1). Elektromagnetkiirgust võib aga tulenevalt laine-osakese dualismist vaadelda ka osakeste (footonite) voona, kus igal footonil on energia E = hν, kus h tähistab Plancki konstanti. Seega võib spektroskoopia uurimisobjektiks pidada ka footoni ja aine interaktsiooni sõltuvust footoni energiast. Kui elektromagnetkiirgus asendada aga osakeste (elektronide, prootonite, ioonide) kiirgusega, muutub spektroskoopia uurimisobjektiks osakestevaheline interaktsioon ja selle sõltuvus osakese energiast.

Spektroskoopia liigid

Spektroskoopiat on tulenevalt eesmärkide ja rakenduste paljususest võimalik jaotada alamkategooriateks mitmel viisil. Enam levinud on spektroskoopia liikide eristamine kasutatava kiirguse, uuritava objekti ning kiirguse ja osakeste vahelise interaktsiooni järgi. Näiteks aatomiabsorptsioonspektroskoopia tegeleb aatomites neelduva optilise kiirguse spektrite uurimisega. Spektroskoopia põhiline töövahend on spektromeeter.

Kasutatava kiirguse järgi

Tänapäeval kasutatakse spektroskoopias kas elektromagnetkiirgust või osakeste (elektronide, prootonite ja ioonide) kiirgust.

Elektromagnetkiirgus

Kaasaegne spektroskoopia kasutab kogu elektromagnetskaalat alates kõrgeima energiaga gammaspektroskoopiast, mis uurib ergastatud aatomite gammakiirgust, kuni kõige madalama energiaga raadiospektroskoopiani, mis uurib neeldumis- ja kiirgusspektreid raadiolainete piirkonnas. Nende vahele jäävad röntgenspektroskoopia, UV/Vis spektroskoopia (uurib spektreid ultraviolettkiirguse ja nähtava valguse piirkonnas), infrapunaspektroskoopia ja mikrolainespektroskoopia. Spetsiifilistest alamliikidest võib esile tõsta vaakumultraviolettspektroskoopiat, mis uurib nii neeldumis- kui kiirgusspektreid vaakumultraviolettkiirguse piirkonnas.

Osakeste kiirgus

Neutronspektroskoopia on neutronite ja aatomituumade vastastikust mõju käsitlev tuumafüüsika haru. Elektronspektroskoopia on elektronide kineetilist energiat mõõtev spektroskoopia haru. Osakeste kasutamise näitena võib tuua ka elektroni-energiakaotusspektroskoopia (inglise keeles electron energy loss spectroscopy), mida kasutatakse materjalide pinna uurimiseks.

Uuritava objekti järgi

Aatomispektroskoopias tuleb uuritav aine viia gaasilisse faasi, gaas hõrendada ning uurida kas neeldumis- (jaheda gaasi juhul) või emissioonispektrit (kaarlahenduse või leegiga ergastatud gaasi juhul).
Molekulaarspektroskoopia tegeleb molekulide spektrite uurimisega. Molekulaarspektroskoopia on eriti oluline meetod biofüüsikas ja -keemias ning molekulaarbioloogias, kus uuritakse näiteks nukleiinhapete ja valkude kõrgemat järku struktuure.

Interaktsiooni järgi

Neeldumis- ehk absorptsioonispektroskoopia põhineb tumedate e neeldumisjoonte uurimisel. Kuumast kehast (allikast) lähtuv pidev spekter muutub külma gaasi läbimisel neeldumisspektriks, sest teatud lainepikkustega footonid neelatakse uuritava aine (gaasi) poolt. Neelatavad lainepikkused sõltuvad konkreetse aine aatomite energianivoodest. Uuritava aine (nt aminohapete) gaasilisse olekusse viimine võib olla tehniliselt keeruline ning energiakulukas. Teisalt on paljud loomulikud (nt tähtede) spektrid samuti neeldumisspektrid.
Kiirgus- ehk emissioonispektroskoopia uurib heledaid spektrijooni, mis tekivad ergastatud (nt kuumutamise või elektrilahenduse tulemusel) aine elektronide langemisel tagasi madalamatele energiatasemetele. Üheks huvitavaks meetodiks emissioonispektroskoopia valdkonnas on laserindutseeritud plasma spektroskoopia. Seda rakendatakse keemias ja materjaliteaduses materjali koostise määramiseks. Kiirgusspektroskoopia alla kuulub ka fluorestsentsspektroskoopia. Kui tavaliselt aine neelab ja kiirgab sama lainepikkust, siis fluorestsentsi korral aine poolt neelatav ja kiiratav lainepikkus erinevad tulenevalt vibratsioonilistest relaksatsioonidest molekulide sees ning ümbritsevas lahuses. Fluorestsentsi punanihet tuntakse Stokesi nihkena. Teatud tingimustel võib ergastatud seisund kesta mitmeid sekundeid – sellist emissiooni nimetatakse fosforestsentsiks ning vastavat teadusharu fosforestsentsspektroskoopiaks.

Rakendused

Spektroskoopial on väga palju rakendusi ning järgnev on vaid juhuslik kogum (võimalikest) saavutustest.
Meditsiinis kasutatakse laialdaselt magnetresonantstomograafiat, mis põhineb aatomituumade raadiolainespektroskoopial magnetväljas. Mikrolainespektroskoopia abil avastati kosmiline mikrolaine-taustkiirgus. Osakeste kiirendite abil tehtavad eksperimendid Suure Paugu järgse Universumi ja algosakeste uurimiseks (nt Euroopa tuumauuringute keskuses) rakendavad samuti spektroskoopia meetodeid. Optilise spektroskoopia abil tehakse kindlaks nii tähtedevahelise gaasi kui ka kuriteopaigalt leitud tundmatu aine keemiline koostis ja struktuur. Spektrijoonte Doppleri nihke uurimise kaudu avastasid astronoomid, et Universum paisub kiirenevalt.
Lisaks praktilistele kasutusaladele on spektroskoopia olnud võtmetähtsusega uute füüsikaharude arengus. Spektroskoopia meetodid on pannud aluse kvantmehaanikale, üld- ja erirelatiivsusteooriale ning kvantelektrodünaamikale. Spektroskoopia on laiendanud meie teadmisi mitte ainult elektromagnetilisest, vaid ka tugevast ja nõrgast vastasmõjust.