اساس اسپکتروسکوپی

این سخنرانی در تاریخ بیست و نه دی ماه ۹۴ در گروه تلگرام شیمی معدنی پایه انجام شد.

مقدمه ۰
هدف از این ارائه برسی ساختار و شناخت اجزای دستگاه هایی است که پایه ی آن ها اسپکتروسکپی است.

مقدمه ۱

حدود ۱۷ سال پیش به دلیل علاقه به ستاره شناسی عضو مرکز نجوم ادیب اصفهان شدم و از آنجایی که می خواستم رابطه ای بین ستاره شناسی و شیمی پیدا کنم به اسپکتروسکوپی (طیف نگاری) بر خوردم، برایم خیلی جالب بود دانشی که ابتدا در ستاره شناسی کشف شد و اسپکتروسکوپ که ابتدا توسط ستاره شناسان اختراع شد اکنون اساس بسیاری از دستگاه هایی است که در شیمی ، بیوشیمی و حتی نساجی استفاده می شود. به همین دلیل عقیده دارم علوم به هم ربط دارند و نباید برای آن ها مرز تعیین کرد.

مقدمه ۲
در سال ۷۸ دو گروه بودیم یکی ما که می خواستیم از تاج خورشید هنگام کسوف طیف نگاری کنیم و گروه دیگر با ساختن یک نورسنج قصد نور سنجی هنگام کسوف را داشتند، پس از کسوف این دو گروه با هم پیوستیم تا دستگاه اسپکتروفتومتر بسازیم که نتیجه ی آن دستگاهی شد از نظر حساسیت تا محلول یکصدهزارم مولار دیکرومات را تشخیص می داد و از نظر دقت وقتی با دستگاه های خارجی(آمریکایی-در سازمان پژوهش های اصفهان ، انگلیسی-در بیمارستان عیسی ابن مریم اصفهان ، ژاپنی-سازمان پژوهش های تهران) مقایسه شد برای نمونه فقط حدود دوصدم اختلاف در اندازه گیری غلظت را داشت که به قول اپراتور بیمارستان عیسی ابن مریم اصفهان اگر با همان دستگاه خارجی دو بار اندازه گیری انجام شود دوصدم اختلاف را دارد
این دستگاه به دلیل جعبه ی نامناسب در جشنواره ی خوارزمی رد شد…

مقدمه ۳
زمانی که برای ساخت اسپکتروفتومتر مطالعه می کردم به این نتیجه رسیدم کسی که برای اولین بار ایده ی اختراع این دستگاه به ذهنش خطور کرده باید در زمینه ی شیمی ، فیزیک(اپتیک) و الکترونیک دانش بالایی داشته باشد. در یکی دیگر از ارائه ها اشاره به دانش و همت یهودیان کردم و اطلاع دارم یهودیان تحصیل کرده در زمینه های مختلف تخصص می گیرند، و شاید به همین دلیل است که بیشتر جوایر نوبل را این گروه به خود اختصاص داده اند.

خوب برویم سر اصل مطلب:
در این ارائه سعی می کنم با پرسش و پاسخ از صفر اساس اسپکتروسکوپی را بیان کنم.

-نور چیست؟
نور دیدگانی(مرئی) بخشی از امواج الکترومغناطیس است ( حدود ۳۸۰ تا ۷۶۰ نانومتر)که هم خاصیت الکتریکی و هم خاصیت مغناطیسی دارد.

-در نور بی رنگ چه رنگ هایی وجود دارد؟
بنفش، نیلی، آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز( رنگین کمان)

-چرا این رنگ ها را در نور سفید( مثل نور خورشید) نمی بینیم؟
زیرا این نور های رنگی همدیگر را خنثی می کنند. برای نمونه نور زرد و آبی یکدیگر را خنثی می کنند. که به آن ها نور مکمل می گویند.

نورهای مکمل:
قرمز- فیروزه ای RED- CYAN
سبز- ارغوانی GREEN- MAGENTA
آبی- زرد BLUE- YELLOW

خوب حالا یه سوال دیگه:
چرا بعضی از اجسام را سپید، بعضی از اجسام را سیاه و بعضی را رنگی می بینیم؟

جسم سپید تمام طول موج های ناحیه دیدگانی را برمیگرداند
جسم سیاه تمام طول موج های ناحیه دیدگانی را جذب می کند
و جسم رنگی فقط بخشی از طول موج را جذب می کند و نور مکمل نور جذب شده را نمایش می دهد
برای مثال اگر جسمی نور زرد را جذب کند آن جسم آبی به نظر می رسد زیرا نور زرد و آبی مکمل هستند و یکدیگر را خنثی می کنند و اگر زرد جذب شود آبی ظاهر می شود

باور نمی کنید؟
یک آزمایش:
وسایل لازم:
اتاق تاریک، جعبه کفش، لامپ ۱۲ ولت ماشین(قدیمی)، آداپتور ۱۲ ولت، منشور ، مقوای سپید، مشکی، و رنگی

۱- روی دیواره ی جعبه کفش یک شکاف عمودی برای عبور نور ایجاد کنید.
۲- لامپ را درون جعبه به گونه ای نصب کنبد که نور آن از شکاف خارج شود.
۳- بیرون از جعبه یک منشور قرار دهید به گونه ای که نور خروجی را تفکیک کند و طیف تشکیل شود.
۴- اکنون جلو طیف یک بار مقوای سپید و یک بار مقوای مشکی قرار دهید. و پس از آن مقواهای رنگی را امتحان کنید

برای نمونه می بینید مثلآ وقتی مقوای زرد را جلو طیف قرار می دهید تمام نور های طیف را می بینید به جز آبی( ناحیه ی آبی را تاریک می بینید) چون توسط مقوای زرد جذب شده است.

خوب این دقیقآ اساس کار اسپکتروفتو متر است. وقتی محلولی را درون اسپکتروفتومتر قرار می دهید و طول موج را روی عدد لامبدا ماکس قرار می دهید دقیقآ طول موجی را از محلول عبور می دهید بیشترین جذب توسط محلول را دارد. مثلآ اگر محلول زرد-نارنجی است شما بخشی از نور آبی را از آن عبور می دهید.

خوب برگردیم به ساختار اسپکتروسکوپ…

اجزای اصلی دستگاه اسپکتروسکوپ کدام اند؟

۱- شکاف ورودی
۲- عدسی موازی کننده
۳- عنصر تفکیک نور: منشور یا گریتینگ
۴- عدسی کانونی کننده
۵- خروجی

-خوب نقش شکاف چیست؟

شکاف ورودی روزنه ی بسیار باریکی است که نور از آن وارد می شود و در واقع خطوط طیفی که می بینیم و تصویر همین شکاف است، هر چقدر این شکاف باریکتر خطوط طیفی sharp تر و تیز تر می شود. بنابر این ساخت این شکاف بسیار مهم است چون اگر در حد میکروسکوپی پیلیسه روی این شکاف باشد سایه می اندازد.

-در مورد عدسی موازی کننده؟
این عدسی دقیقآ کجا قرار می گیرد و چه نوع عدسی استفاده می شود و چرا؟

عدسی مورد استفاده در اسپکتروسکوپ، عدسی آکروماتیک یا دابلت است. و فاصله ی آن تا شکاف باید به اندازه ی فاصله کانونی عدسی باشد.

-عدسی آکروماتیک یا دابلت چیست و چه تفاوتی با عدسی معمولی دارد؟

عدسی دابلت یک عدسی دو گانه است از دو جنس مختلف است که تمام طول موج ها را در یک نقطه کانونی می کند.

-اگر از عدسی معمولی استفاده کنیم چه مشکلی پیش می آید؟

اگر عدسی معمولی استفاده کنیم وقتی خطوط ناحیه قرمز را کانونی می کنیم خطوط آبی کانونی و sharp نیست و وقتی ناحیه ی آبی را کانونی می کنیم خطوط قرمز از فوکوس خارج می شود
اما عدسی دابلت چون تمام طول موج ها را یک جا کانونی می کند و قتی مثلآ خطوط قرمز را کانونی می کنیم تمام طول طیف کانونی می شود.

تفاوت عدسی آکروماتیک و معمولی

عنصر پاشنده نور

خوب قدیما از منشور prism برای تفکیک نور استفاده می کردن اما امروزه از grating یا توری پراش استفاده می کنند.

-تفاوت منشور با گریتینگ چیست؟

گریتینگ تمام قسمت های طیف را یکسان تفکیک می کند اما منشور قسمت قرمز را کمتر و قسمت آبی را بیشتر تفکیک می کند
به همین دلیل امروزه در دستگاه های بر پایه ی اسپکتروسکوپ دیگر منشور استفاده نمی کنند چون درجه بندی دستگاه بسیار مشکل است.

-توری پراش چگونه ساخته می شود؟

برای ساخت توری پراش بر روی فلز یا شیشه خطوط موازی ایجاد می کنند (حداقل ۶۰۰ خط بر میلیمتر) اگر بر روی شیشه خطوط ایجاد شود گریتینگ عبوری و اگر بر روی فلز ، گریتینگ انعکاسی ساخته می شود

– خوب اکنون که با ساختار اسپکتروسکوپ آشنا شدیم چگونه عناصر را بوسیله آن شناسایی می کنیم؟

اگر به طور ساده بخواهم بگویم
اگر امواج الکترو مغناطیس را به یک اتم بتابانیم هر اتم قسمتهایی از این امواج را جذب کرده الکترون های آن به مدار بالا تر می‌رود در این صورت امواج عبور کرده از اتم فاقد طول موج‌های جذب شده است که اسپکتروسکوپ آن را به صورت یک نوار رنگی با خطوط تاریک نمایش می‌دهد( خطوط تاریک همان طول موج های جذب شده هستند) که به آن طیف جذبی می گویند. اکنون اگر همان اتم را در شرایطی قرار دهیم که الکترون هایی که به مدار بالا تر رفته‌اند به مدار قبلی برگردند دقیقآ همان طول موج‌های جذب شده منتشر می‌شود که دستگاه طیف نما آن را به صورت زمینه ی تاریک با خطوط رنگی نمایش می دهد.

در واقع طیفی که می بینید همان تصویر شکاف باریک است که در طول موج های مختلف یکی یکی کنار هم چیده شده و به جای طول موج های جذب شده خط سیاه در طیف جذبی و خط رنگی در طیف نشری می بینید.

جالب اینجاست که هیچ دو عنصری خطوط طیفی مشابه ندارند و مثل اثر انگشت برای عناصر می باشد و به این روش با اسپکتروسکوپ عناصر را شناسایی می کنند. از این روش در ستاره شناسی برای شناسایی عناصر اجرام آسمانی استفاده می شود.

آیا اسپکتروسکوپی کاربردهای دیگری هم در ستاره شناسی دارد؟

بله این لینک را ببینید

https://kimical.ir/spect2/

خوب چند تا دستگاه می تونید نام ببرید که اساس آن اسپکتروسکوپی باشه؟

spectroscopy
Atomic Absorption / Emission Spectroscopy
……..

سرچشمه ها:

http://www.physicsclassroom.com/class/light
https://en.wikipedia.org/wiki/Light
https://tusi.academy/cobc2dvo/letqu5sm/
https://upload.wikimedia.org
https://dept.astro.lsa.umich.edu

دیگر مطالب مرتبط با طیف نگاری
برای سهولت در بازبینی وب سایت شیمی کیمیکال و ده ها وب سایت شیمی ایرانی و خارجی دیگر و شبکه های اجتماعی مرتبط و همچنین سهولت در به اشتراک گذاری مطالب آن ها اپلیکیشن رایگان کیمیکال پلاس را نصب کنید.