сабина 2 тема. Спектроскопия. Типы спектра. Основы фотобиологии
 Скачать 86.26 Kb.
|
 Реферат По предмету: Общая физика. На тему: Спектроскопия. Типы спектра. Основы фотобиологии. Факультет естественных наук. Кафедра общей и неорганической химии. Сдала: студентка 1 курса группы 2-3 ким-22( рус ) Рузимуротова Сабина План. 1.Спектроскопия и её задачи. 2.Спектр и его типы. 3.Фотобиология и её основы. Спектроскопи́я — раздел физики, посвящённый изучению спектров электромагнитного излучения. В более широком смысле — изучение спектров различных видов излучения. Методы спектроскопии используются для исследования энергетической структуры атомов, молекул и макроскопических тел, образованных из них. Они применяются при изучении таких макроскопических свойств тел, как температура и плотность, а в аналитической химии — для обнаружения и определения веществ. К преимуществам спектроскопии относится возможность диагностики in situ, то есть непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии. Задачи спектроскопии Прямая задача спектроскопии — предсказание вида спектра вещества, исходя из знаний о его строении, составе и прочего. Обратная задача спектроскопии — определение характеристик вещества (не являющихся непосредственно наблюдаемыми величинами) по свойствам его спектров (которые наблюдаются непосредственно и напрямую зависят как от определяемых характеристик, так и от внешних факторов). Виды и методы спектроскопии По объектам исследования обычно выделяют виды спектроскопии, каждый из которых использует набор методов: атомная спектроскопия — исследование энергетических переходов между состояниями электронов на атомных орбиталях Атомно-абсорбционная спектроскопия Атомно-эмиссионная спектроскопия Атомная флуоресценция молекулярная спектроскопия — исследование энергетических переходов между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии молекул Инфракрасная спектроскопия Масс-спектрометрия Мёссбауэровская спектроскопия Микроволновая спектроскопия Молекулярная электронная спектроскопия Оптическая спектроскопия в видимом диапазоне длин волн Рентгеновская спектроскопия Терагерцовая спектроскопия Ультрафиолетовая спектроскопия Фотоэлектронная спектроскопия Спектроскопия комбинационного рассеяния света Электронный парамагнитный резонанс Ядерный магнитный резонанс абсорбционная спектроскопия Диодно-лазерная абсорбционная спектроскопия Инфракрасная абсорбционная спектроскопия Микроволновая спектроскопия поглощения Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса Спектроскопия ядерного магнитного резонанса Спектр (лат. spectrum «виде́ние»)в физике—скалярная функция частоты �  , длины волны � или, реже, другой физической величины (например, энергии, массы частиц), определяющая «относительную представленность» значений данной величины в изучаемом объекте: сложном сигнале, многокомпонентной среде и пр.. С точностью до нормировки совпадает с плотностью или рядом распределения соответствующей величины.Обычно под спектром подразумевается электромагнитный (или акустический) спектр, задающий распределение частот / длин волн электромагнитного излучения (или упругих колебаний). Форма спектра показывает, в какой мере в сигнале представлены синие, зеленые и другие цвета (или ультразвуковые, слышимые и другие волны). Размерность такого спектра есть размерность объёмной плотности энергии или поверхностной плотности мощности, делённая на размерность аргумента: если это частота то будет (Дж/м3)/Гц или (Вт/м2)/Гц, а если длина волны то (Дж/м3)/м или (Вт/м2)/м. Нередко приводится в относительных безразмерных единицах. Иногда под спектром понимают не распределение целиком, а просто набор или диапазон возможных в конкретной системе частот, длин волн, энергий, масс без указания вероятностей их реализации (например, говорят о спектре энергий частицы в квантовой яме).  В научный обиход термин «спектр» ввёл Исаак Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, получающейся при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. В те годы это была просто фиксация факта наличия электромагнитных волн разных длин в солнечном излучении, но позднее были получены и распределения по длинам волн. Типы спектров  Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу — как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения солнца. Отмечены линии поглощения бальмеровской серии водорода По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров. Примерами линейчатых спектров могут служить масс-спектры и спектры связанно-связанных электронных переходов атома; примерами непрерывных спектров — спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров. Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на эмиссионные (спектры излучения), абсорбционные (спектры поглощения) и спектры рассеяния. Электромагнитный спектр — совокупность всех диапазонов частот электромагнитных волн. Эмиссионный спектр — набор частот электромагнитного излучения, испускаемого атомом или молекулой при переходе на более низкий энергетический уровень. Спектр масс — набор значений масс элементарных частиц. Энергетический спектр — набор или диапазон возможных значений энергии частицы в конкретной (обычно квантовой) системе. Спектр нейтронов — функция, описывающая распределение нейтронов по энергии.  Спектр ядерного магнитного резонанса (1H), полученный методом Фурье-спектроскопии ЯМР. Красным показан исходный временной спектр (интенсивность-время), синим — частотный (интенсивность-частота), полученный Фурье-преобразованием В 1822 году Фурье, занимавшийся теорией распространения тепла в твёрдом теле, опубликовал работу «Аналитическая теория тепла», сыгравшую значительную роль в последующей истории математики. В этой работе он описал метод разделения переменных (преобразование Фурье), основанный на представлении функций тригонометрическими рядами (ряды Фурье). Фурье также сделал попытку доказать возможность разложения в тригонометрический ряд любой произвольной функции, и, хотя его попытка оказалась неудачной, она, фактически, стала основой современной цифровой обработки сигналов. Оптические спектры, например, ньютоновский, количественно описываются функцией зависимости интенсивности излучения от его длины волны �(�)  или, что эквивалентно, от частоты �(�) , то есть функция �(�) задана на частотной области (frequency domain). Частотное разложение в этом случае выполняется анализатором спектроскопа — призмой или дифракционной решеткой.В случае акустики или аналоговых электрических сигналов ситуация другая: результатом измерения является функция зависимости интенсивности от времени �(�)  , то есть эта функция задана на временной области (time domain). Но, как известно, звуковой сигнал является суперпозицией звуковых колебаний различных частот, то есть такой сигнал можно представить и в виде «классического» спектра, описываемого �(�) .Именно преобразование Фурье однозначно определяет соответствие между временны́м �(�) и частотным �(�) представлениями и лежит в основе Фурье-спектроскопии.Исторические сведения Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не вносится призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом. Следующий этап наступил через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802 году наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 году эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре и отметил, что положение линии D близко к положению яркой жёлтой линии в спектре пламени. В 1854 году Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа, первого из инструментальных спектральных методов — одних из самых мощных методов экспериментальной науки. В 1859 году Кирхгоф опубликовал в журнале «Ежемесячные сообщения Берлинской академии наук» небольшую статью «О фраунгоферовых линиях». показать выдержка из труда Кирхгофа  Оптический линейчатый эмиссионный спектр азота Примечательно, что эта работа Кирхгофа неожиданно приобрела и философское значение: ранее, в 1842 году, основоположник позитивизма и социологии Огюст Конт в качестве примера непознаваемого привёл именно химический состав Солнца и звёзд: Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе — Огюст Конт, «Курс позитивной философии», Книга II, Глава I (1842) Работа Кирхгофа позволила объяснить природу фраунгоферовых линий в спектре Солнца и определить химический (или, точнее, элементный) состав его атмосферы. Фактически, спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки — исследование спектров как наблюдаемых наборов значений функции состояния объекта или системы оказалось чрезвычайно плодотворным и, в конечном итоге, привело к появлению квантовой механики: Планк пришёл к идее кванта в процессе работы над теорией спектра абсолютно чёрного тела. В 1910 году были получены первые неэлектромагнитные спектры: Дж. Дж. Томсон получил первые масс-спектры, а затем в 1919 году Астон построил первый масс-спектрометр. С середины XX века, с развитием радиотехники, получили развитие радиоспектроскопические, в первую очередь магнитно-резонансные методы — спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия, являющаяся сейчас одним из основных методов установления и подтверждения пространственной структуры органических соединений), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), циклотронного резонанса (ЦР), ферромагнитного (ФР) и антиферромагнитного резонанса (АФР). Другим направлением спектральных исследований, связанным с развитием радиотехники, стала обработка и анализ первоначально звуковых, а потом и любых произвольных сигналов. Фотобиоло́гия — наука о биологических процессах, инициированных в живых системах действием света, поглощённым одним или несколькими хромофорами (фоторецепторами) этих систем. В основе фотобиологии лежат теоретические представления о физико-химических свойствах биологических молекул и сложных биологических структур, полученные из экспериментальных результатов при изучении фотофизических и фотохимических свойств простых и сложных органических молекул, красителей, природных и синтетических пигментов. Свет инициирует различные фотопроцессы в растворах, суспензиях, адсорбатах, слоях, упорядоченных системах, мембранах клеток, в клетках, тканях, в целых организмах. Нередко эти процессы имеют свободно-радикальную природу и продолжаются в дальнейших темновых реакциях. Изучение таких процессов требует привлечения современных представлений физики, химии, биофизики и биологии. Знание механизмов первичных стадий фотобиологических процессов необходимо для понимания трансформации энергии поглощённых квантов света (фотонов) в таких явлениях как фотосинтез, зрение, повреждающее и лечебное действие ультрафиолетового и лазерного излучения. Изучение первичных стадий фотобиологических процессов неразрывно связано с использованием спектроскопических методов исследования, люминесценции, ядерного магнитного резонанса. Всё это требует глубоких знаний и методик физико-химического эксперимента. Именно в этом содержится суть современной фотобиологии, изучающей механизмы фотостимулированных процессов. |