Электромагнитное излучение представляет собой совокупность электрических и магнитных полей, колеблющихся перпендикулярно друг другу и направлению распространения. Энергия излучения переносится квантами — фотонами, каждый из которых обладает энергией E = hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота излучения. Взаимодействие излучения с веществом определяется энергетической структурой молекул и атомов, а также их способностью поглощать, излучать или рассеивать фотоны.
1. Поглощение: Молекулы и атомы способны поглощать энергию фотонов, переходя в возбужденное состояние. Основные типы переходов:
Эффективность поглощения определяется законом Бугера–Ламберта–Бера:
A = εcl
где A — оптическая плотность, ε — молярный коэффициент экстинкции, c — концентрация вещества, l — путь прохождения света через образец.
2. Испускание (люминесценция и флуоресценция): Возбужденные молекулы возвращаются в состояние с меньшей энергией, испуская фотон. Время жизни возбужденного состояния и спектр излучения зависят от природы молекулы и типа перехода.
3. Рассеяние: Процесс изменения направления излучения без изменения его частоты (Рэлей) или с изменением частоты (комбинированное Рамановское рассеяние). Рамановское рассеяние используется для идентификации химических связей и симметрии молекул.
4. Фотоэлектрический и Комптоновский эффекты: При взаимодействии с высокоэнергетическим излучением (рентген, гамма) возможны эффекты выбивания электронов с атомов (фотоэффект) и изменение энергии фотонов при рассеянии на электронах (эффект Комптона).
Ультрафиолетово-видимая (УФ-В) спектроскопия: Использует электронные переходы. Позволяет количественно определять концентрацию веществ по закону Бугера–Ламберта–Бера и качественно — по спектральным особенностям.
Инфракрасная (ИК) спектроскопия: Основана на вибрационно-ротационных переходах. ИК-спектры дают информацию о типах химических связей и функциональных группах молекул.
Рамановская спектроскопия: Дополняет ИК-методы, особенно для симметричных молекул, где ИК-переходы слабые или запрещены. Спектры отображают колебательные моды, активные в Рамановском рассеянии.
ЯМР-спектроскопия (ядерный магнитный резонанс): Позволяет исследовать магнитные свойства ядер в магнитном поле. Сдвиги резонансных частот дают детальную информацию о химическом окружении ядер, взаимосвязях между атомами и динамике молекул.
Флуоресцентная спектроскопия: Использует испускание фотонов при переходе из возбужденного состояния. Обладает высокой чувствительностью и применима для анализа следовых количеств веществ.
Энергетические уровни атомов и молекул дискретны, что определяет спектральную селективность поглощения и испускания. Вероятность перехода описывается правилами отбора, основанными на симметрии и изменении квантовых чисел. Интенсивность спектральных линий зависит от дипольного момента перехода и плотности состояния. В молекулярных системах также учитывается взаимодействие колебательных и вращательных уровней, что формирует сложные спектры.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом лежит в основе большинства аналитических методов. Оно позволяет идентифицировать соединения, определять их концентрацию, изучать структуру и динамику молекул, контролировать процессы в химических и биологических системах. Комплексный подход с использованием различных диапазонов излучения обеспечивает высокую точность и информативность анализа.