Spektroskopija

**Spektroskopija** je znanost koja proučava interakciju elektromagnetskog zračenja i materije. Spektroskopija se koristi u mnogim granama prirodnih znanosti jer daje informacije o građi i sastavu tvari, njezinoj temperaturi, tlaku. Spektroskopija može dati informacije o dinamici promatranog sustava. Vjerojatno najšira upotreba spektroskopije je u analitičke svrhe. Spektroskopija se najčešće dijeli prema spektralnom području, a to često ovisi o grani znanosti koja koristi dotičnu spektroskopiju. Kao rezultat spektroskopskog istraživanja dobiva se spektar.

## Podjela

Spektroskopija je vrlo razvijena disciplina i dijeli se na brojne poddiscipline prema:
* vrsti zračenja tj. frekvenciji (radio, mikrovalna, terahercna, infracrvena, vidljiva, ultraljubičasta, rendgenska, gama)
* nivou interakcija (nuklearna, atomska, molekularna, agregacijska)
* pronalazaču (Mesbauerova, Ramanova...)
* tehnici (Furijeova, rezonantna, laserska, koherentna, emisijska, apsorpcijska)

Iz ovoga se stječe utisak da je broj metoda mnogo veći od stvarnog. Tablica u sljedećem odlomku daje bolji uvid u veze među raznim metodama i njihovim osobinama.

## Veza među spektroskopskim metodama i valnim dužinama

## Interakcija elektromagnetskog zračenja i materije

Svi fenomeni koji se promatraju u spektroskopiji, objašnjavaju se s nekoliko mogućih pojava interakcije elektromagnetskog zračenja i materije. Sustav koji stupa u interakciju s elektromagnetskim zračenjem mora sadržavati diskretne energijske razine. Po Bohrovom uvjetu, razlika između energijskih razina sustava mora biti jednaka energiji fotona elektromagnetskog zračenja koji stupa u interaciju sa sustavom.

#### Apsorpcija zračenja
Sustav apsorbira foton. Poslije **apsorpcije zračenja**, sustav ostaje u pobuđenom stanju.

#### Spontana emisija
Sustav, koji je u pobuđenom stanju, spontano se vraća u osnovno stanje ili pobuđeno stanje niže energije, emitiranjem fotona. Energija fotona, po Bohrovom uvjetu, odgovara razlici energija stanja sustava prije i poslije spontane emisije.

#### Stimulirana emisija
Sustav u pobuđenom stanju, intereagira s fotonom, čija je energija jednaka energiji pobuđenog stanja, emitiranjem novog fotona. Emitirani foton je koherentan s fotonom koji je izazvao interakciju: fotoni imaju jednaku energiju, fazu, smjer i usmjerenje.

#### Rayleighovo raspršenje
Foton koji odlazi od sustava, nakon Rayleighovog raspršenja, ima istu energiju kao i foton koji je došao na sustav, ali ima različit smjer. Sustav ima jednaku energiju prije i poslije **Rayleighovog raspršenja**.

#### Ramanovo raspršenje
Foton koji odlazi od sustava nema jednaku energiju kao i foton koji je došao na sustav. Sustav **Ramanovim raspršenjem** dobiva ili gubi energiju. Razlika u energiji sustava, prije i nakon **Ramanovog raspršenja** odgovara razlici energija dolazećeg i odlazećeg fotona. Ukoliko odlazeći foton ima nižu energiju od dolazećeg fotona (sustav je raspršenjem dobio energiju), raspršenje se naziva **Stokesovo raspršenje**, u suprotnom slučaju raspršenje se naziva **antistokesovo raspršenje**.

#### Ionizacija
Foton se apsorbira na sustavu (atomu, molekuli, kristalu ...), a njegova energija se troši na emitiranje elektrona. Sustav se nakon **ionizacije** obično nalazi u pobuđenom stanju. Energija fotona je jednaka sumi energija vezanja elektrona za sustav, kinetičke energije elektrona i razlici energija sustava prije i posije **ionizacije**. **Ionizacija** se može dogoditi jedino ako je energija fotona veća od energije vezanja elektrona za sustav.

#### Augerov efekt
Foton se apsorbira na sustav pobuđivanjem sržnog elektrona u neko pobuđeno stanje. Sustav se relaksira emisijom drugog elektrona koji ima manju energiju vezanja (valentnog elektrona). **Augerov efekt** se razlikuje od **ionizacije** jer emitirani elektroni imaju točno određene kinetičke energije.

#### Comptonov efekt
Foton se neelastično sudari s elektronom (ili nekom drugom česticom), pri čemu se dio energije fotona prenese na elektron. Suma energije fotona i kinetičke energije elektrona prije sudara mora biti jednaka istoj sumi poslije sudara. Pri kvantnoj teoriji pri sudaru jedan dio energije elektronu slično kao pri elastičnom sudaru klasičnih čestica pa je njegova energija nakon rasijanja E*13C, 15N i 19F.

Kao referentni uzorak koristi se tetrametilsilan.

#### Aparatura

NMR spektrometar se sastoji o velikog magneta koji stvara magnetsko polje te dviju zavojnica; jedna služi za proizvodnju uzbudnog radiovalnog zračenja, a druga služi kao detektor. Kako razlučivanje instrumenta ovisi o jakosti magnetskog polja, danas se koriste superjaki, supravodljivi magneti jakosti i 20 T]].

## Elektronska spinska rezonancija

**Elektronska spinska rezonancija** ili **elektronska paramagnetska rezonancija** (ESR, EPR) proučava mikrovalno zračenje koje je emitirano ili apsorbirano od nesparenih elektrona u magnetskom polju. Spin elektronima daje magnetski moment. Spareni elektroni poništavaju svoje magnetske momente, pa elektronsku spinsku rezonanciju pokazuju samo molekule koje imaju nesparene elektrone. Elektronska spinska rezonancija funkcionira na isti način kao i nuklearna magnetska rezonancija, samo se umjesto jezgara detektiraju nespareni elektroni. Kako elektroni imaju puno veči magnetski moment od jezgara, potrebno je slabije magnetsko polje i veća frekvencija. ESR je jako osjetljiva: može detektirati vrlo niske koncentracije slobodnih radikala, manje od jedan dio na milijun.

## Fotoelektronska spektroskopija
**Fotoelektronska spektroskopija** nije klasična spektroskopija jer ne promatra elektromagnetsko zračenje koje je molekula apsorbirala ili emitirala, već promatra elektrone koje je molekula ispustila uslijed djelovanja elektromagnetskog zračenja. Kako elekromagnetsko zračenje mora imati dovoljnu energiju za ionizaciju molekule, koristi se *vakuumsko ultraljubičasto zračenje*. Zračenje mora biti monokromatsko. Rjeđe se koristi i rendgensko zračenje. Vakuumsko ultraljubičasto zračenje ima dovoljnu energiju za ionizaciju valentnih elektrona, pa se primjenom tog zračenja, mogu vidjeti samo ionizacije valentnih elektrona te odrediti energije njihovih orbitala. Primjenom rendgenskog zračenja, mogu se ionizirati i sržni elektroni. Primjenom rendgenskog zračenja ne može se postići razlučivanje, kao primjenom vakuumskog ultraljubičastog zračenja. Kako elektroni utječu jedni na druge, energije sržnih elektrona u manjoj mjeri ovise i o vanjskim elektronima, a tako i o elektronskom okruženju atoma. Na taj način je moguće analizirati strukture molekula. Fotoelektronska spektroskopija koja koristi rendgensko zračenje, naziva se i ESCA *(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)*.
Fotoelektronska spektroskopija se zasniva na fotoelektričnom efektu. Energija elektrona, izbačenog iz molekule je jednaka energiji elektromagnetskog zračenja, umanjenoj za energiju vezanja elektrona koji je izbačen, te energija vibracije i rotacije molekule. U fotoelektronskom spektru se vide energije energije elektrona, a ako spektar ima dovoljno veliko razlučivanje, moguće je vidjeti i vibracijsku strukturu.

#### Izvori zračenja
Izvori zračenja su lampe s električnim izbojima u vodiku, dušiku ili nekom drugom, najčešće plementom, plinu. Najčešće se koriste helijeve lampe jer daju zračenje najkraće valne duljine, pa se pomoću njih mogu analizirati orbitale najniže energije. Ovisno o uvjetima rada lampe mogu se dobiti dvije spektralne linije: He I pri 21,21 eV ili He II pri 40,8 eV. U nekim uvjetima, može se koristiti i monokromatsko zračenje, dobiveno iz monokromatora, ali to je ograničeno na relativno male intenzitete i niske valne duljine dalekog ultraljubičastog zračenja. U novije vrijeme koriste se i laseri koji rade u dalekom ultraljubičastom području. U rendgenskom području koriste se katodne cijevi.

#### Aparatura
Spektrofotometar se mora održavati u visokom vakuumu jer bi bilo kakva atmosfera apsorbirala vakuumsko ultraljubičasto zračenje i spriječila bi nesmetani prolazak elektrona prema detektoru. Uzorak, koji se mora dovesti u plinovito stanje, se propušta u vakuumsku komoru kroz malu sapnicu, tako da u komori oblikuje molekulski snop. Vakuumsko ultraljubičasto zračenje se usmjerava na molekulski snop pod pravim kutom. Elektroni, koji su emitirani iz molekulskog snopa, prolaze između para elektroda s određenim potencijalom ili kroz magnetsko polje. Zbog djelovanja električnog ili magnetskog polja, samo elektroni s točno određenom energijom mogu proći kroz elektrode ili magnet. Promjenom jakosti električnog odnosno magnetskog polja, mijenjaju se uvjeti pri kojima mogu proći elektroni različitih energija, pa se na taj način ostvaruje snimanje spektra. Detektor je kanalni multiplikator (channeltron).

## Mößbauerova spektroskopija

Mößbauerova spektroskopija koristi gama zračenje kao predmet proučavanja. Gama zračenje može pobuditi atomske jezgre. Sprezanje spina jezgre s orbitalnom kutnom količinom gibanja elektrona uzrokuje cijepanje energijskih razina jezgre. Cijepanje energijskih razina je zanemarivo u usporedbi s energijskim razinama jezgre odnosno energijama gama zračenja. Mößbauerova spektroskopija koristi izvor monokromatskog gama zračenja, čije zračenje se usmjerava na uzorak. Detektorom, iza uzorka, se promatra apsorpcija gama zračenja. Mößbauerova spektroskopija se koristi za ispitivanje određenih kemijskih spojeva, kristala i amorfnih tvari.

#### Izvor zračenja i aparatura
Kako ne postoji pogodni umjetni izvor monokromatskog gama zračenja, koristi se zračenje radioaktivnih izotopa. Odabir valne duljine obavlja se promjenom valne duljine korištenjem dopplerovog efekta. To se postiže postavljanjem izvora ili uzorka na pomičnu platformu. Odabiranjem relativne brzine gibanja izvora i uzorka, odabire se valna duljina.

#### Detektor
Kao detektori, koriste se detektori za gama zračenje: scintilacijski brojači, Geigerov brojač i poluvodički detektori.

## Ostale tehnike

Pod spektroskopske tehnike možemo ubrojiti i masenu spektrometriju, akustičku spektroskopiju, dielektričnu spektroskopiju, mehaničku spektroskopiju i radiometrijske tehnike, iako one nemaju veze s elektromagnetskim spektrom. Rezultat tih metoda je spektar (maseni spektar, spektar zvučnih valova, spektar frekvencija električnog polja, spektar frekvencija mehaničkog naprezanja, spektar \alpha, \beta, \gamma, zračenja...), pa ih uvjetno možemo ubrojiti u spektroskopiju.

## Vanjske veze
;Ostali projekti