История
В упрощенном виде в одном словаре инфракрасный свет определяется как "те невидимые лучи, которые выходят за пределы красного конца видимого спектра...". с проникающим нагревательным эффектом: используется в кухне, фотографировании и т.д."
Хотя это может показаться очевидным, поскольку инфракрасное излучение (ИК) является неотъемлемой частью нашей жизни, только 1800 человек признали ИК отдельной областью энергетического спектра.
Это открытие было сделано сэром Уильямом Хершелем, астрономом, когда он измерял тепловой эффект солнечного света (Herschel 1 800). Однако область ИК-спектроскопии, т.е. изучение длин волн света в ИК-области спектра и их взаимодействия с различными материалами, в то время не развивалась из-за трудностей с созданием подходящих детекторов для измерения ИК-излучения.
С 1903 года Уильям У. Кобленц провел комплексные эксперименты, позволившие получить точные измерения ИК спектров сотен неорганических и органических соединений.
Интерес к потенциалу ИК-спектроскопии для аналитической химии возрос с созданием первых опытных образцов ИК-спектрометров в 1930-х годах.
За этим быстро последовала промышленная разработка ИК-спектрометров, что было вызвано необходимостью применения быстрых аналитических методов в промышленности синтетических изделий из каучука.
Эта разработка расширила возможности получения инфракрасных спектров и стимулировала проведение более глубоких теоретических исследований всех особенностей инфракрасных спектров.
Следующий скачок в развитии электроники произошел в ходе и после Второй мировой войны, когда появилась технология детекторов с термопарой, что привело к созданию стабильных двухлучевых спектрофотометров (Райт и Хершер 1 947).
К 195 годам прошлого века ИК-спектроскопия стала одним из ключевых аналитических методов в академических и промышленных лабораториях.
Большинство ИК приборов, использовавшихся в 1970-х годах, были основаны на призме или решетчатых монохроматорах. Важным прорывом в ИК-технологиях стало внедрение инфракрасных спектрометров с преобразованием Фурье (FT-IR).
В конце 1800-х годов Альберт Микельсон разработал интерферометр для изучения скорости света (Michelson 1 891). Два года спустя лорд Рейли признал, что результаты интерферометра могут быть преобразованы в спектр с помощью математической процедуры, разработанной примерно за семьдесят лет до этого французским математиком Фурье.
В связи с численными сложностями процедуры Фурье, Питер Фельгетт фактически рассчитал спектр на основе интерферограммы только в 1949 г.
Астроном Фельгетт использовал спектроскопию преобразования Фурье для изоляции слабых сигналов отдаленных звезд от фонового шума окружающей среды и при этом обнаружил преимущество данного метода, позднее названного в его честь.
Несколько лет спустя французский ученый Жакино указал на преимущества интерферометрии (Жакино-1954) с точки зрения пропускной способности.
Эти преимущества ИК-Фурье по сравнению с дисперсионными приборами воплотились в практические улучшения, такие как высокоскоростной сбор данных, повышенное разрешение, более низкие пределы обнаружения и большая пропускная способность энергии.
Электромагнитное излучение
В самых простых выражениях спектроскопия определяется как взаимодействие света с веществом. Свет, в этом контексте, является широким спектром непрерывной энергии, называемой электромагнитным спектром.
Унифицированной системы наименований спектральных областей не существует, так как конкретные названия для каждого типа излучения, такие как видимое, рентгеновское и радиовское, были присвоены во время его обнаружения. Тем не менее, эти обозначения широко известны и полезны для быстрой ориентации.
Все излучение, независимо от его спектральной области, регулируется одними и теми же физическими свойствами. Типы излучения обычно группируются по видам химических и физических воздействий, которые они могут оказывать на вещество.
Например, в магнитном поле воздействие излучения низких энергий только переориентирует ядра, в то время как воздействие на несколько более высокоэнергетическую область микроволн изменяет спиновые состояния электронов молекул с непарными электронами.
СВЧ-излучение может также изменять энергию вращения молекул; этот эффект используется для быстрого нагрева пищи в микроволновой печи.
В средних областях электромагнитного спектра поглощение ИК-излучения вызывает изменения в колебательной энергии молекул.
Видимые и ультрафиолетовые (УФ) излучения изменяют электронные энергии слабо удерживаемых внешних электронов атомов и молекул.
Более высокоэнергетические рентгеновские лучи могут вызывать переходы электронов между внутренними уровнями электронов, а гамма-излучение вызывает изменения в атомных ядрах. Поскольку все соединения поглощают излучение во многих областях спектра, информация о молекулярной активности в каждой области обеспечивает дополнительные данные для характеристики материала.
Теория волн
Вся энергия электромагнитного спектра может рассматриваться как волны, движущиеся со скоростью света, с различными типами излучения только по амплитуде, частоте и длине волны.
Амплитуда - это высота или максимальный размер волны, который соответствует интенсивности или объему сигнала.
Частота v - это количество колебаний, или волн, за единицу времени, т.е. циклов в секунду.
Длина волны, A, представляет собой расстояние между двумя последовательными максимумами или минимумами волны, т.е. длиной одной волны. Длина волны излучения обратно пропорциональна частоте. Таким образом, высокочастотное излучение имеет короткую длину волны.
Энергия, согласно закону Планка, прямо пропорциональна частоте. Поскольку частота обратно пропорциональна длине волны, из этого следует, что энергия электромагнитного излучения и длина волны также обратно пропорциональны ее длине. Таким образом, более длинные волны имеют меньшую энергию и частоту, в то время как более короткие волны имеют более высокую энергию.
Поглощение
К концу XIX века стало все более очевидным, что классические законы физики, описывающие природные явления, такие как время, гравитация и импульс, не учитывают эффекты, наблюдаемые при взаимодействии света с материей.
На Всемирной ярмарке в Сент-Луисе в 1904 году ведущие ученые спорили за и против существования атомов. Два года спустя была создана современная атомная теория, когда эксперименты Эрнеста Резерфорда показали, что атомы существуют и каждый из них состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов.
