МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ – ЧТО, КАК и ЗАЧЕМ MWL 2014 научно - популярный комикс для любопытствующих и начинающих 1 / 27

Сначала совсем немного скучных определений: Спектроскопия – это наука, изучающая взаимодействие излучения с веществом. Cпектр вещества – это сила этого взаимодействия в зависимости от частоты (или длины волны) излучения. Спектр излучения – это зависимость его яркости от частоты. 2 / 27

Самый известный на Земле источник излучения – это Солнце. 3 / 27

Если пропустить луч через призму, то на экране будет видна радуга – это видимая часть спектра солнечного излучения. 4 / 27

Если вглядеться в полученную радугу, то будет видно, что некоторых цветов в ней нет. Солнце излучает на всех частотах. Темные полосы означают, что на пути солнечного света есть веществом, которое поглотило часть излучения. Если взять фотоприемник, и двигать его вдоль цветных полос, то в ярких областях он будет давать большой сигнал, а в темных – маленький. В результате получится спектр в привычном для спектроскописта виде. 5 / 27

Спектр солнечного света, 3000 К Лабораторный спектр Н 2 О К Идентификация линий Маленький кусочек этого спектра показан в верхней части картинки красным цветом. Каждый пичок – это спектральная линия вещества. Все вместе они образуют спектр вещества. Сопоставление этого спектра со спектрами известных молекул позволило нам сделать вывод, что практически все пички в спектре солнечного света – это линии очень сильно разогретых (примерно до 3000 градусов) молекул воды, которые образуются в атмосфере солнца над солнечными пятнами. 6 / 27

Спектр электромагнитного излучения Видимый свет составляет лишь малую часть спектра электромагнитного излучения. Молекулы поглощают излучение разных диапазонов. При этом происходят изменения в их движении. Например, поглощение микроволнового излучения приводит к изменению скорости вращения молекулы, как целого, а инфракрасного - к возникновению колебаний атомов в молекулах. Поглощение ультрафиолетового излучения приводит к переходу электронов на более высокие орбиты. Соответственно говорят о вращательных, колебательных, электронных и других спектрах молекул. 7 / 27

Исследовать спектр газа очень просто - надо взять источник излучения, пропустить излучение через газ, развернуть его в спектр и измерить результат… 8 / 27

16 O 12 C 32 S, (0, 0, 0) Пример вращательного спектра молекулы Сероокись углерода (OCS). Диаграмма спектра при комнатной температуре. Посмотрим, например, на спектр серо окиси углерода. Ее вращательный спектр выглядит очень простым - это почти периодическая серия линий. Из этого спектроскопист может сделать вывод, что все атомы в молекуле расположены на одной оси. 9 / 27

Пример вращательного спектра молекулы Сероокись углерода (OCS). Диаграмма спектра при комнатной температуре (фрагмент 1). 16 O 12 C 32 S, (0, 1, 0) 16 O 12 C 34 S, (0, 0, 0) 16 O 13 C 32 S, (0, 0, 0) Если увеличить чувствительность спектрометра в 10 раз, то будет видно, что между сильными линиями есть более слабые линии, которые тоже складываются в похожие по форме серии. Эти линии тоже принадлежат молекулам серо окиси углерода, но с более редко встречающимися в природе изотопами атомов. А еще тут видна серия линий таких молекул в которых из- за соударений возбудились изгибные колебания. 10 / 27

16 O 12 C 33 S, (0, 0, 0) 16 O 12 C 34 S, (0, 1, 0) 16 O 12 C 32 S, (0, 2, 0) 18 O 12 C 32 S, (0, 0, 0) Пример вращательного спектра молекулы Сероокись углерода (OCS). Диаграмма спектра при комнатной температуре (фрагмент 2). Если увеличить чувствительность еще в 10 раз, то станут видны серии линий молекул с еще более редкими изотопами и с еще более сложными колебательными движениями атомов. 11 / 27

16 O 12 C 32 S (1,1,0); 16 O 13 C 32 S (0,1,0); 16 O 12 C 32 S (1,1,0); 16 O 12 C 34 S (1,0,0); 16 O 12 C 33 S (0,1,0); 16 O 12 C 32 S (1,1,0); 16 O 13 C 34 S (0,0,0); 16 O 13 C 32 S (0,3,0); 16 O 12 C 32 S (1,1,0); 17 O 12 C 32 S (0,0,0); 16 O 12 C 34 S (0,2,0); 16 O 12 C 32 S (2,0,0); 16 O 12 C 32 S (1,1,0); 16 O 12 C 34 S (0,3,0); 16 O 12 C 36 S (0,0,0); 16 O 12 C 32 S (1,1,0); 16 O 13 C 32 S (1,0,0); 16 O 12 C 32 S (1,1,0); 18 O 12 C 32 S (1,1,0)… Пример вращательного спектра молекулы Сероокись углерода (OCS). Диаграмма спектра при комнатной температуре (фрагмент 3). Еще больше чувствительности – еще больше линий… 12 / 27

Пример вращательного спектра молекулы 16 O 13 C 34 S J30 (0,1 d,0) 16 O 12 C 32 S (0,4 4,0) 16 O 12 C 34 S J30 (1,1 c,0) 16 O 12 C 32 S (0,4 2d,0) 16 O 12 C 32 S (0,4 2c,o,0) 16 O 12 C 32 S (0,3 3,0) 16 O 12 C 32 S (0,3 1d,0) 16 O 12 C 32 S (1,2 2d,0) 16 O 12 C 32 S (1,2 2c,0) 16 O 12 C 32 S (1,1 1c,0) 16 O 12 C 32 S (2,2 o,0) 16 O 12 C 32 S (2,2 2c,d,0) 18 O 12 C 34 S J32 (0,0,0) 16 O 13 C 34 S J30 (0,1 c,0) 16 O 12 C 34 S J30 (1,0,0) 18 O 13 C 34 S J32 (0,0,0) 18 O 12 C 32 S J31 (0,2 2c,d,0) 18 O 12 C 32 S J31 (0,2 2o,0) 18 O 12 C 32 S J31 (0,1 1d,0) 18 O 12 C 32 S J31 (0,1 1c,0) 17 O 12 C 32 S J30 (0,1 1c,0) 17 O 12 C 32 S J30 (0,1 1d,0) J´ J = А это - экспериментальная запись маленького кусочка спектра, на котором все эти линии видны. Анализ спектра позволяет определить, как расположены атомы в молекуле, какое расстояние между ними, какие углы между связями атомов, на каких частотах могут происходить колебания атомов и многое другое. По спектру, как по отпечаткам пальцев, можно однозначно сказать какой молекуле он принадлежит. 13 / 27

Пример вращательного спектра молекулы Фтороформ (CF3H). Диаграмма спектра. Это спектр одного из фреонов – фтороформа. Он похож на спектр линейной молекулой серо окиси углерода. Но при внимательном рассмотрении видно, что каждая линия в этом спектре расщеплена на столько компонент, какой порядковый номер этой линии. Из этого спектроскописты делают вывод, что молекула является правильной приплюснутой пирамидкой. 14 / 27

Пример вращательного спектра молекулы Фтороформ (CF3H) А так выглядит одна из вращательных линий фтороформа в эксперименте. При низких давлениях видны все ее компоненты, а при больших давлениях они становятся широкими из-за столкновений молекул друг с другом, характерная картинка спектра «замывается» и все компоненты сливаются в одну широкую линию. Столкновения молекул влияют на форму наблюдаемого спектра. Причем разные молекулы влияют по-разному. Это значит, что исследуя спектры можно судить и о том, как разные молекулы взаимодействуют между собой. 15 / 27

1. Углубление фундаментальных знаний о материи 3. Качественный и количественный анализ газовых смесей Строение молекул Межмолекулярные взаимодействия Мониторинг атмосферы Земли и других планет со спутников Исследование межзвездного пространства Контроль технологических процессов Диагностика состояния здоровья Контроль экологии и безопасности 2. Стандарты частоты и времени (1)Зная газообразное вещество, можно найти его спектр и определить строение и структуру молекул, из которого оно состоит. (2)Стандарты частоты и времени фактически являются спектрометрами, в которых очень точно измеряется частота одной линии. (3)Зная спектр газа, можно найти из каких молекул он состоит. На последующих картинках - некоторые примеры применений. 16 / 27 Зачем это нужно?

Космическая платформа AURA, запущена NASA 14 июля 2004 года. Один из действующих спутников, на котором установлены спектрометры, анализирующие атмосферу Земли. 17 / 27

А это - один из спектрометров, установленных на спутнике и его основные характеристики. 18 / 27

Карты распространенности различных атмосферных газов и температуры воздуха, которые составляются по результатам наблюдения молекулярных линий с помощью этого спектрометра. По таким картам составляется, в частотности, прогноз погоды, и ведутся наблюдения за экологией и климатическими изменениями. 19 / 27

Микроволновая молекулярная спектроскопия для астрофизики The KOSMA - Submillimeter telescope Gornergrat near Zermatt, Switzerland А с помощью такого радиотелескопа - «спектрометра» можно заглянуть в глубины космоса. 20 / 27

Так выглядит вселенная «глазами» радиотелескопа. Оказалось, что межзвездная среда густо заполнена разными газами. Список молекул, найденных в космосе по их спектрам постоянно расширяется. 21 / 27

Космический телескоп «HERSHEL» Исследования областей образования звезд и галактик Запущен Размер зеркала 3.5 м. Спектрометры:HIFI: ТГц и ТГц SPERE: FTS ТГц PACS: 1.4 – 5.9 ТГц Этот космический «спектрометр» тоже исследует межзвездную среду и ему не мешает земная атмосфера. 22 / 27

THz H 2 16 O H 2 17 O H 2 18 O HIFI (HERSHEL) THz spectrum of Water and organics in the Orion Nebula Это - фотография одного из объектов наблюдения и спектр газа, наблюдаемый в направлении этого объекта. 23 / 27

1.1 THz Линия воды в области звездообразования NGC 1333 А тут - более детальная запись одной из космических линий воды. Видно, что в этом направлении есть молекулы и испускающие и поглощающие излучение, причем температура у одних и других сильно отличается. 24 / 27

10 4 ае H 2 O 1.7 ТГц Эта космическая карта была составлена по данным наблюдения спектральной линии. Примерно так выглядело и наше Солнце в стадии зародыша. Распределение молекул воды в области протозвезды L1157 В последние десятилетия молекулярная спектроскопия стала ключом к пониманию физики, химии и динамики развития межзвездных облаков и областей звездообразования 25 / 27

Цезиевый фонтанный стандарт частоты и времени NIST, USA (точность ) Это - главный хронометр, по которому сверяются все остальные часы человечества. 1 секунда, по которой мы живем, составляет на самом деле периодов колебания электромагнитного излучения, соответствующему частоте одной из спектральных линий атома цезия- 133, наблюдаемой с помощью микроволнового спектрометра. Эти «часы» могут отклониться от истинного времени на 1 секунду примерно за 30 миллионов лет. 26 / 27

Для того, чтобы развивались основополагающие знания о мире, а все эти приложения работали, необходимы высокоточные лабораторные исследования спектров молекул, чем мы тут и занимаемся 27 / 27