3. Спектроскопія. Історія виникнення і класифікація.

Спектроскопія – розділ фізики, присвячений вивченню спектрів електромагнітного випромінювання. Методами спектроскопії досліджують рівні енергії атомів, молекул і утворених з них макроскопічні систем, а також квантові переходи між рівнями енергії, що дає важливу інформацію про будову і властивості речовини. Найважливіші області застосування – спектральний аналіз і астрофізика.

Основні етапи розвитку спектроскопії – відкриття і дослідження на початку 19 століття ліній поглинанні в сонячному спектрі (фраунгоферових ліній), встановлення зв'язку спектрів випускання і поглинання (Р. Р. Кирхгоф. 1859) і виникнення на її основі спектрального аналізу. З його допомогою вперше вдалося визначити склад астрономічних об'єктів – Сонця, зірок, туманностей. У 2-ій половині 19 – початку 20 століть спектроскопія продовжувала розвиватися як емпірична наука, був накопичений величезний експериментальний матеріал, встановлені закономірності в розташуванні спектральних ліній і смуг. У 1913 р. Н. Бор пояснив ці закономірності на основі квантової теорії, згідно якої спектри електромагнітного випромінювання виникають при квантових переходах між рівнями енергії атомних систем відповідно до постулатів Бору. Надалі спектроскопія зіграла велику роль в створенні квантової механіки і електродинаміки квінти, які, у свою чергу, стали теоретичною базою сучасної спектроскопії.

7000.png

     Рисунок 3.1 – Кирхгов Густав Роберт.

 

 Спектроскопія ділиться на області по різних ознаках. По діапазонах довжин (або частот) електромагнітних хвиль в спектроскопії виділяють: радіоспектроскопію, що охоплює область радіохвиль; субміліметрову  спектроскопію; мікрохвильову спектроскопію; оптичну спектроскопію, що вивчає спектри оптичні і інфрачервону спектроскопію, що містить, спектроскопію видимого випромінювання і ультрафіолетову спектроскопію; рентгенівську спектроскопію і гамма-спектроскопію. Специфіка кожної з цих областей спектроскопії заснована на особливостях електромагнітних хвиль відповідного діапазону і методах отримання і дослідження спектрів. У радіоспектроскопії застосовуються радіотехнічні методи; у рентгенівській — рентгенівські методи отримання і дослідження спектрів; у гамма-спектроскопії — експериментальні методи ядерної фізики; у оптичній спектроскопії – оптичні методи у поєднанні з методами сучасної радіоелектроніки. Часто під терміном «спектроскопія» розуміють лише оптичну спектроскопію.

Відповідно до відмінності конкретних експериментальних методів виділяють спеціальні розділи спектроскопії – інтерференційну, засновану на застосуванні інтерферометрів, вакуумну спектроскопію, лазерну спектроскопію. Одним з розділів ультрафіолетової і рентгенівської спектроскопії є фотоелектронна спектроскопія.

    7001.png

    Рисунок 3.2 – Бор Нільс.

По типах досліджуваних об'єктів спектроскопію розділяють на атомну, таку, що вивчає атомні спектри, молекулярну, таку, що досліджує молекулярні спектри, і спектроскопію речовини в конденсованому стані (зокрема, спектроскопію кристалів). Відповідно до видів руху в молекулі (електронне, коливальне, обертальне) молекулярну спектроскопію ділять на електронну, коливальну і обертальну. Аналогічно розрізняють електронну і коливальну спектроскопію кристалів. У спектроскопії атомів, молекул і кристалів застосовують методи оптичною, рентгенівською і радіоспектроскопії.

Особливу область досліджень представляє ядерна спектроскопія, в яку включають гамма-, альфа- і бета-спектроскопию; з них тільки гамма-спектроскопія відноситься до спектроскопії електромагнітного випромінювання.