Opustit studovnu

Úvod do spektroskopie

Tento článek si neklade za cíl se dopodrobna zabývat postupy spektroskopie. Současný stav poznání je natolik obsáhlý, že ani několik knih by nepojalo veškeré znalosti tohoto oboru. Článek by měl sloužit spíše jako úvod do této tématiky. Na jeho základě se můžete rozhodnout, zda budete mít odvahu a trpělivost se s danými tématy blíže seznámit.

Nejstarší spektroskopický nástroj

Na úvod je nutno říci, že i když to není na první pohled patrné, je spektroskopie nedílnou součástí našeho života již od narození. Nejstarším a zdaleka nejpoužívanějším spektroskopem je oko. Dle barev a na základě našich předchozích zkušeností rozpoznáme nebezpečí v našem okolí, či určíme zralost ovoce.

Lidské oko obsahuje tři typy receptorů na barvu, tzv. čípků, které pokrývají oblast, kterou nazýváme viditelné spektrum (viz. Obrázek 1). Za zmínku stojí, že dravci nebo hmyz mívají i více typů takových receptorů a jsou schopni vidět i v UV oblasti světelného spektra. Většina lidí si neuvědomuje naši závislost na tomto způsobu vnímání světa okolo nás. Lidé s disfunkcí očních čípků mají pro ty zdravé „nepředstavitelný“ hendikep (Obrázek 2)

Obr. 1 : Křivka citlivosti lidských očních čípků(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ hbase/vision/colcon.html)


Obr. 2: Ishiharův test barvosleposti (https://www.aoa.org/healthy-eyes/eye-and-vision-conditions/color-vision-deficiency?sso=y)

 

Počátky spektroskopie jako vědy

Za nejstarší využití spektroskopie (mimo lidské oko) by se nejspíše dalo považovat určení teploty na základě barvy. Tato metoda je používána již od dob, kdy lidé začali tepelně zpracovávat kovy. Mistři kováři takto dokázali určit správnou teplotu pro kalení oceli tak, aby získali co nejlepší ostří [1]. Je to dodnes nejlepší způsob, jak změřit teplotu velmi horkých těles, a to i na nezměrné vzdálenosti. Dnes se tento jev nazývá záření černého tělesa a matematicky byl „popsán“ (vztah mezi teplotou a vyzařovanou vlnovou délkou) teprve roku 1893 Wilhelmem Wienem [2].

Obr. 3: Výroba japonského meče (https://www.bbc.com/future/article/20181113-a-samurai-swordsmith-is-designing-a-space-probe)


Obr. 4: Spektrum záření černého tělesa [2]

 

Počátek spektroskopie jako vědy můžeme datovat do roku 1665. Isaac Newton tehdy provedl experiment s hranolem. Jako jiní před ním jej použil k rozložení bílého světla na „duhu“. Do této chvíle ale chybělo hlubší porozumění podstaty pozorovaného jevu. Newton provedl sérii (z dnešního pohledu banálních) pokusů, z nichž vyvodil přelomový závěr: že bílé světlo se skládá z barev, které hranol může nejen rozdělit, ale i sloučit.

Později (roku 1800) se William Herschel pokusil změřit teplotu barev. Osvětlil lomeným světlem z hranolu sérii teploměrů a objevil tak, že mimo duhu světlo obsahuje ještě další prvek, který zahřívá teploměr i mimo ni. Ten vzhledem k poloze nazval infračerveným světlem.

Na základě Herschelovy práce uskutečnil Johann Ritter další významný objev (v roce 1801). Sledoval, jak reaguje chlorid stříbrný na barvy spektra. Zjistil, že reakce u fialového světla je větší, než u červeného a objevil, že největší je reakce na záření řazené až za fialovou, pro lidské oko neviditelné. Tehdy ho pojmenoval chemické záření, ale časem se ujal výraz ultrafialové záření [3] [4].

Obr. 5: (https://www.alamy.com/stock-photo/newton-experiment.html)


Obr. 6: Měření teploty světla (https://www.youtube.com/watch?v=aHQVB6qgZAU)

 

Elektromagnetické spektrum

V současnosti víme, že viditelné spektrum je jen celkem zanedbatelnou částí elektromagnetického spektra. Každá oblast elektromagnetického spektra je spojena s určitými jevy a procesy, které ve své podstatě odpovídají vlnové délce daného elektromagnetického záření.

Například radiové vlny jsou produkovány pohybem elektronů ve vodiči. V dnešním přetechnizovaném světě je proto na každém elektrickém přístroji varovná cedulka o možných rizicích. Na druhou stranu, tyto vlny mohou indukovat proudy, které mohou činnost zařízení ovlivnit, nebo poškodit.

Dnešní mikroelektronika (tedy počítače, mobilní telefony a obecně všechna zařízení s mikroprocesory) je ve své podstatě zdrojem mikrovln (GHz). Mikrovlnné záření je spjaté s pohybem molekul. Infračervené záření již souvisí s pohybem atomů v molekulách. Viditelné, UV a Rentgenové zas spíše s pohybem elektronů v atomech. Gama a kosmické záření je pak spojeno s procesy v atomovém jádru.

 

Obr. 7: Elektromagnetické spektrum (https://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_edit.svg#filelinks)

 

Spektroskopie je v současnosti pro vědu takový „švýcarský nožík“. Uplatní se od astronomie, přes fyziku a chemii.

Spektroskopie v astronomii

V astronomii spektroskopie umožnila převratné objevy. Dopomohla nám například zjistit z čeho se skládají hvězdy, jak probíhá jejich životní cyklus a jak vytváří všechnu svou energii, aniž bychom na nějakou museli letět. Dokonce díky ní můžeme pozorovat i složení atmosféry planet čistě jen sledováním emisních, respektive absorpčních, spektrálních čar.

Obr. 8: Emisní a absorpční spektrum „hvězd“ (https://geol105.sitehost.iu.edu/images/gaia_chapter_1/visible_light_spectral_emission_.htm)


Obr. 9: Emisní spektra hlavních prvků ve hvězdách (https://hubblesite.org/contents/articles/spectroscopy-reading-the-rainbow)


Obr. 10: Spektrum slunečního záření, zvýrazněny čáry vodíku, sodíku, železa, vápníku (https://astronomy.com/magazine/ask-astro/2020/02/what-elements-does-the-sun-contain)

 

V neposlední řadě bylo díky spektroskopii potvrzeno i rozpínání vesmíru pomocí Dopplerova jevu.

Obr. 11: (https://sketchplanations.com/the-doppler-effect)

 

Spektroskopie ve fyzice

Příkladem využití ve fyzice je například zjišťování složení materiálu, nebo ověřování pravdivosti výpočtů v kvantové teorii.

Obr. 12: Emisní spektra prvků periodické tabulky ve viditelné oblasti (https://fiftystatebanana.com/spectral_lift_and_dialate-1/)

 

Kvantová teorie je relativně mladá a na pochopení neintuitivní záležitost. Dnes má asi každý představu o tom, že existují atomy, které jsou základními kameny, ze kterých je složeno vše okolo nás. Většina z nás nejspíš tuší, jak asi takový atom vypadá. Ještě relativně nedávno tomu tak ale nebylo.

Současný nejrozšířenější názor na vzhled atomu je založen na Rutherfordově (1911) nebo Bohrově (1913) modelu. Jsou sice jednoduché na pochopení, ale fyzikálně „nesedí“. Pro zpřesnění bylo nutno zapojit kvantovou teorii a vytvořit „novou“ matematiku, a tak vznikl Schrödingerův model. Takto spočtené energie přechodů (≈ spektrální čáry) jsou v souladu s měřením, a to s neuvěřitelnou přesností nedosažitelnou v klasické fyzice.

Obr. 13: Bohrův model atomu (https://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model)


Obr. 14: Rutherfordův model atomu (https://chemistrygod.com/rutherford-atomic-model)


Obr. 15: Názorné schema přechodů v atomu vodíku a jejich energie (http://www.thestargarden.co.uk/Bohrs-atom.html)


16: Elektronové orbitaly dle Schrödingerova modelu atomu (https://physics.stackexchange.com/ questions/546323/electrons-in-the-quantum-mechanical-model-of-the-atom)


17: Schrödingerův model atomu (https://www.sutori.com/en/item/erwin-schrodinger-s-quantum-mechanical-model-of-the-atom-consisted-of-having-ele)

 

Spektroskopie v chemii a biologii

Infračervená spektroskopie je užitečná zejména v chemii a biologii. Je zaměřena především na takzvané rotačně-vibrační stavy molekul. To je v podstatě, jak název napovídá, sledování pohybu atomů v molekulách.

Molekuly můžeme chápat jako soustavu kmitajících atomů s několika možnými stupni volnosti. Už jen taková jednoduchá molekula oxidu uhličitého, CO2, má mnoho takových stavů (viz. Obrázek 18). Z naměřených spekter se dá spočítat mnoho informací o vlastnostech a síle vazeb mezi atomy dané molekuly.

Obr. 18: Rotačně-vibrační stavy CO2 (https://slidetodoc.com/infrared-ir-spectroscopy-or-vibrational-spectroscopy-applied-chemistry/)


Obr. 19: Spektrum rotačně-vibračních stavů CO2 za 0.1 atmosféry při 23°C (https://wiki.anton-paar.com/cz-cs/infracervene-spektrum-oxidu-uhliciteho/)

 

Lasery ve světě spektroskopie

S nástupem laserů se rozvinula metoda Ramanovské spektroskopie. Je založena na principu rozptylu světla, kdy vcelku zanedbatelné množství fotonů v důsledku interakce s atomy ve zkoumané látce změní svou vlnovou délku.

Lasery jsou zde nepostradatelné, jelikož je zapotřebí velmi úzká spektrální čára a při tom vysoká intenzita světla. Je užitečná zejména v chemii k určení složení látek, protože každá z nich má svůj jedinečný Ramanovský „otisk“.

Obr. 20: Vizualizace a spektrum pro Ramanův rozptyl (https://sisu.ut.ee/heritage-analysis/book/export/html/19022)

 

Závěrem je třeba dodat, že toto není kompletní výčet spektroskopických technik, ani veškerých možností, které nám otevírá. Mnoho zajímavých využití, která jsou již na hranici s jinými technikami, jako například magnetická rezonance, bylo opominuto. Proto čtenáři vřele doporučuji, pokud ho výše uvedené alespoň trochu zaujalo, aby se nebál toto téma sám aktivně prozkoumat.

Reference

[1] „https://www.youtube.com/watch?v=VE_4zHNcieM“.
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Wien%27s_displacement_law.
[3] „https://www.juliantrubin.com/bigten/lightexperiments.html“.
[4] „https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/ritter.html“.