مفهوم طیف‌نگاری
طیف‌نگاری یکی از کارآمدترین روش‌های اندازه‌گیری در فیزیک و سایر علوم است.
در‌واقع طیف‌نگاری روش اندازه‌گیری انرژی است. به کمک آن می‌توان انرژی محیط مادی بویژه ساختارهای کوانتومی (که از آنها با لفظ عام «مولکول» یاد می‌شود) و نیز انرژی میدان‌های الکترومغناطیسی را اندازه گرفت. اما گسترهٔ اندازه‌گیری‌های مبتنی بر طیف‌نگاری بزگتر از این است.
با توجه به ارتباط بنیادین انرژی و زمان، طیف‌نگاری می‌تواند تحول زمانی سیستم‌ها (شامل مولکول‌ها و میدان‌ها) را مشخص کند. علاوه بر انرژی، به کمک طیف‌نگاری می‌توان کمیت‌های دیگری همچون اندازه حرکت زاویه‌ای را نیز بصورت مستقیم یا غیرمستقیم اندازه‌گیری کرد. از سوی دیگر، طیف‌نگاری، روشی اپتیکی برای شناسایی مواد است.
کارکردهای طیف‌نگاری
بطور خلاصه بخشی از مهمترین کارکردهای طیف‌نگاری عبارتند از:
دررابطه با محیط‌های مادی و مولکول‌ها:
- تعیین حالات پایای ساختارهای کوانتومی
- تعیین هویت مولکول‌ها با توجه به شناسایی حالات پایا و ویژگی‌های این حالات
- تعیین رفتار آماری سیستم‌های مولکولی (مجموعه‌های آماری از مولکول‌ها که به آنها«محیط مادی» یا باختصار «محیط» می‌گوییم.)
- تعیین توزیع انرژی در مجموعه‌های آماری
- تعیین رفتار گذاری مولکول‌ها و سیستم‌های مولکولی
- تعیین رفتار تجمعی مولکول‌ها مثلاً «فاز تجمعی» آنها
در رابطه با میدان‌های الکترومغناطیسی:
- تعیین رفتار گذرای میدان‌های الکترومغناطیسی
- مشخص کردن توزیع انرژی در یک میدان الکترومغناطیسی
- تعیین تقارن‌های محیط‌ها بخصوص همگنی و همسانگردی آن
- تعیین تقارن‌های میدان الکترومغناطیس (مانند قطبش)
در رابطه با برهمکنش ماده و میدان:
- بررسی تجربی فرمول‌بندی‌های نظری برهمکنش ماده و میدان
- روش تجربی مفید در حوزهٔ «اپتیک کوانتومی»
- بررسی فرآیندهای «اپتیک غیرخطی»
- سنجشِ صحت و دقت فرمول‌بندی‌های محاسباتی ماده در «شیمی مولکولی»
- فرمول‌بندی رفتار ماده در بازه‌های زمان و مکانی بسیار فشرده
- بررسی رفتار ماده تحت میدان‌های فوق شدید
برهمکنش نور و ماده
اساس طیف‌نگاری بر برهمکنش نور و ماده استوار است. فرآیندهای فیزیکی زیر در این برهمکنش مؤثرند:
پاشندگی
پاشندگی به معنای وابستگی رفتار ماده در برهمکنش با نور به «انرژی» نور است. این وابستگی ممکن است بر حسب کمیت‌های هم‌ارز چون طول موج یا فرکانس نیز بیان گردد.
پاشندگی فضایی
وابستگی رفتار ماده در برهمکنش با نور به «تقارن فضایی» محیط و نور
جذب
انتقال انرژی از میدان الکترومغناطیس (نور) به مولکول (ماده)
گسیل
گسیل فرآیند عکس جذب است، یعنی انتقال انرژی از مولکول به میدان الکترومغناطیس
پراکندگی
انتقال انرژی از میدان به مولکول و انتقال مجدد آن از مولکول به میدان و یا بالعکس
انواع طیف‌نگاری
طیف‌نگاری را می‌توان برحسب «ماهیت برهمکنش» یعنی بر اساس هر یک از فرآیندهای فیزیکی ذکرشده تقسیم‌بندی کرد. اما تقسیم‌بندی‌های دیگری نیز به کار گرفته می‌شود، از جمله
- برحسب ناحیهٔ طیفی مورد مطالعه (مادون قرمز، مرئی، ماوراء بنفش، اشعهٔ x، گاما و ...)
- بر حسب نوع خروجی یا ورودی آزمایش (ذره، امواج الکترومغناطیسی، امواج مکانیکی)
- برحسب نوع ماده (اتمی، مولکولی، هسته‌ای، بلوری، ماده‌ٔ ساختارمند و ...)
- برحسب فاز تجمعی ماده (گازی، پلاسما، پودر و ...)
- برحسب نوع تحریک ماده
- برحسب کاربرد (طیف‌نگاری نجومی، طیف‌نگاری زیستی، طیف‌نگاری تشخیصی (پزشکی)، طیف‌نگاری تحلیلی (شیمی و علم مواد)، ...)
- بر اساس نوع پردازش داده‌ها (طیف‌نگاری فوریه، طیف‌نگاری تفکیک زمانی و ...)
طیف‌نمایی
فرآیند پاشندگی در برهمکنش نور و ماده امکان تجزیه و تحلیل انرژی میدان الکترومغناطیس را فراهم می‌سازد. بر این اساس می‌توان اصطلاحاً «توزیع طیفی» نور را بدست آورد.
توزیع طیفی نور در واقع مشخص می‌کند که نور تابشی از چه طول‌موج‌هایی تشکیل شده است. در حالت کلی، شدت هر مؤلفهٔ طول‌موجی نیز اندازه‌گیری می‌شود.
این توزیع ممکن است در یک ناحیهٔ مشخص، طیف پیوسته‌ای ایجاد کند و یا متشکل از مؤلفه‌های گسسته باشد که به آنها «خطوط طیفی» می‌گویند.
ابزار تجربی را در این حالت
طیف‌نما
(بیناب‌نما) یا Spectroscope می‌نامند.
طیف‌سنج
یا Spectrometer، طیف‌نمایی است که امکان اندازه‌گیری دقیق طول‌موج را فراهم می‌کند.
طیف‌سنج‌ها را می‌توان به دو دسته «طیف‌سنج‌های گزینشی» که در هر لحظه یک مؤلفهٔ طیفی خاص را اندازه می‌گیرند و «طیف‌سنج‌های همزمان» که همهٔ مؤلفه‌ها را با هم نشان می‌دهند، تقسیم کرد.
طیف‌نما
اجزای طیف‌نما عبارتند از:
- سیستم اپتیکی ایجاد جسم تابان
- عنصر پاشنده
- سیستم اپتیکی ایجاد تصویر
- آشکارساز
- سیستم اپتومکانیکی برای تثبیت اجزاء و اندازه‌گیری‌های فضایی
- سیستم (الکترونیکی) ثبت، تحلیل و پردازش داده‌ها
احتمالاً نیوتون اولین کسی بوده است که نخستین آزمایش‌های نظام‌مند طیف‌نمایی را با تجزیهٔ نور سفید و تشکیل طیف نور خورشید انجام داده است.
این مبحث ادامه دارد و تکمیل خواهد شد.
مراجع برای مطالعهٔ بیش‌تر
- J. M. Hollas, Modern spectroscopy, 4th ed. Chichester ; Hoboken, NJ: J. Wiley, 2004.
- D. W. Ball, Field guide to spectroscopy. Bellingham, Wash: SPIE Press, 2006.
- W. Demtroeder, Laser spectroscopy 1: basic principles, 5th edition. Springer, 2014.
- W. Demtroeder, Laser spectroscopy 2: experimental techniques, 5th edition. Springer, 2015.
ارسال نظرات
لطفاً نظر، سئوالات و پیشنهادات خود را در رابطه با این مبحث از طریق فرم زیر یا از طریق ارسال نامه به آدرس
info@kermanoptics.ir
مطرح کنید.
