Полоса поглощения - Absorption band

Полосы поглощения в Атмосфера Земли сделано парниковые газы и результирующее воздействие на передаваемое излучение.

В соответствии с квантовая механика, атомы и молекулы может содержать только определенное количество энергия, или существуют в конкретных состояния. Когда такие кванты из электромагнитное излучение испускаются или поглощаются атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы от начальное состояние к конечное состояние. An полоса поглощения это диапазон длины волн, частоты или энергии в электромагнитный спектр которые характерны для конкретного перехода вещества от начального к конечному состоянию.

Обзор

В соответствии с квантовая механика, атомы и молекулы может содержать только определенное количество энергия, или существуют в конкретных состояния. Когда электромагнитное излучение поглощается атомом или молекулой, энергия излучения изменяет состояние атома или молекулы с начальное состояние к конечное состояние. Число состояний в определенном диапазоне энергий дискретно для газообразных или разбавленных систем, с дискретными уровни энергии. Конденсированные системы, как и жидкости или твердые тела, имеют непрерывный плотность состояний распространение и часто обладают непрерывным энергетические полосы. Для того, чтобы вещество изменило свою энергию, оно должно делать это в несколько «шагов» путем поглощения фотон. 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, такую как молекула, из одного колебательного или вращательного состояния в другое, или он может создавать квазичастица как фонон или плазмон в твердом состоянии.

Электромагнитные переходы

Принципиальная схема 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. Потому что есть законы сохранения, которые должны быть выполнены, переход должен соответствовать ряду ограничений. Это приводит к серии правила отбора. Невозможно выполнить переход, который находится в наблюдаемом диапазоне энергии или частоты.

В сила процесса электромагнитного поглощения в основном определяется двумя факторами. Во-первых, важно понять, что переходы, которые изменяют только магнитный дипольный момент системы намного слабее переходов, изменяющих электрический дипольный момент и это переходит к моментам более высокого порядка, таким как квадруполь переходы слабее дипольных переходов. Во-вторых, не все переходы имеют одинаковый элемент матрицы перехода, коэффициент поглощения или же сила осциллятора.

Для некоторых типов диапазонов или спектроскопических дисциплин температура и статистическая механика играет важную роль. За (дальний) инфракрасный, микроволновая печь и радиочастота диапазон температур в зависимости от номера занятий состояний и разница между Статистика Бозе-Эйнштейна и Статистика Ферми-Дирака определяет интенсивность наблюдаемых поглощений. Для других диапазонов энергии эффекты теплового движения, подобно Доплеровское уширение может определить ширина линии.

Форма полосы и линии

Спектр мессбауэровского поглощения ⁵⁷Fe с очень резкими линиями

Существует большое разнообразие полос поглощения и форм линий, и анализ формы полосы или линии может использоваться для определения информации о системе, которая его вызывает. Во многих случаях удобно считать, что узкая спектральная линия является Лоренциан или же Гауссовский, в зависимости от механизм распада или же температурные эффекты подобно Доплеровское уширение. Анализ спектральная плотность и интенсивность, ширина и форма спектральные линии иногда может дать много информации о наблюдаемой системе, как это делается с Мессбауэровские спектры.

В системах с очень большим количеством состояний вроде макромолекулы и большой сопряженные системы отдельные энергетические уровни не всегда можно различить 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.

За конденсированное вещество и твердые вещества форма полос поглощения часто определяется переходами между состояниями в их непрерывных плотность состояний раздачи. За кристаллы то электронная зонная структура определяет плотность состояний. В жидкости, очки и аморфные твердые тела нет большой дальности корреляция и дисперсионные соотношения изотропны. Это упрощает расчет плотности состояний для формы полос поглощения. За комплексы с переносом заряда и сопряженные системы ширина полосы определяется множеством факторов.

Типы

Электронные переходы

Электромагнитные переходы в атомах, молекулах и конденсированных средах в основном происходят при энергиях, соответствующих УФ и видимый часть спектра. Основные электроны в атомах и многие другие явления наблюдаются с различными марками XAS в рентгеновский снимок диапазон энергии. Электромагнитные переходы в атомные ядра, как отмечено в Мессбауэровская спектроскопия, проходят в гамма-луч часть спектра. Основные факторы, вызывающие расширение спектральной линии в полосу поглощения молекулярного твердого тела представляют собой распределения колебательной и вращательной энергий молекул в образце (а также их возбужденных состояний). В твердых кристаллах форма полос поглощения определяется величиной плотность состояний начальных и конечных состояний электронных состояний или колебаний решетки, называемых фононы, в Кристальная структура. В газофазной спектроскопии тонкая структура эти факторы могут быть различимы, но в спектроскопии состояния раствора различия в молекулярном микросреде еще больше 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.^[1]

Вращательные переходы

Вращательные переходы происходят в дальней инфракрасной и микроволновой областях.^[2]

Другие переходы

Полосы поглощения в радиодиапазоне находятся в ЯМР-спектроскопия. Частотные диапазоны и интенсивности определяются магнитным моментом ядер, которые наблюдаются, приложенным магнитным полем и температурными разностями числа заполнения магнитных состояний.

Приложения

Материалы с широкими полосами поглощения применяются в пигменты, красители и оптические фильтры. Оксид титана, оксид цинка и хромофоры применяются в качестве поглотителей и отражателей УФ-излучения в солнцезащитный крем.

Полосы поглощения, интересующие физика атмосферы

В кислород:

то Группы Хопфилда, очень прочный, от 67 до 100 нанометров в ультрафиолете (назван в честь Джон Дж. Хопфилд );
диффузная система от 101,9 до 130 нанометров;
континуум Шумана – Рунге, очень сильный, между 135 и 176 нанометрами;
то Группы Шумана – Рунге от 176 до 192,6 нм (названо в честь Виктор Шуман и Карл Рунге );
то Группы Герцберга от 240 до 260 нанометров (назван в честь Герхард Херцберг );
атмосферные полосы между 538 и 771 нанометром в видимой области спектра; включая кислород δ (~ 580 нм), γ (~ 629 нм), B (~ 688 нм) и полосу A (~ 759-771 нм)^[3]
система в инфракрасном диапазоне около 1000 нанометров.^[4]

В озон:

то Группы Хартли от 200 до 300 нанометров в ультрафиолете, с очень интенсивным максимальным поглощением при 255 нанометрах (названный в честь Уолтер Ноэль Хартли );
то Группы Хаггинса, слабое поглощение между 320 и 360 нанометрами (названо в честь сэра Уильям Хаггинс );
то Группы Chappuis (иногда с ошибками "Chappius"), слабая диффузная система между 375 и 650 нанометрами в видимом спектре (названная в честь Дж. Чаппюи ); и
то Полосы Вульфа в инфракрасном диапазоне за пределами 700 нм, с центрами на 4,700, 9,600 и 14,100 нм, последний из которых является наиболее интенсивным (назван в честь Оливер Р. Вульф ).

В азот:

В Полосы Лаймана – Бирджа – Хопфилда, иногда известный как Группы Бирджа – Хопфилда, в дальнем ультрафиолете: 140– 170 нм (назван в честь Теодор Лайман, Раймонд Т. Бирдж, и Джон Дж. Хопфилд )