분광학

Spectroscopy
분광학의 한 예: 프리즘은 백색광을 성분 색상으로 분산시켜 분석합니다.

분광학은 전자기 방사선과 물질 사이의 상호작용에서 발생하는 전자기 스펙트럼을 측정하여 방사선의 [1][2][3][4][5][6]파장 또는 주파수의 함수로 해석하는 일반적인 연구 분야이다.물질파와 음파는 방사 에너지의 형태로도 간주될 수 있으며, 최근에는 중력파가 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)의 맥락에서 스펙트럼 시그니처와 관련지어지고 있다.

간단히 말해서, 분광학은 가시광선에서 전자기 스펙트럼의 모든 대역에 이르기까지 일반화된 색에 대한 정확한 연구이다.역사적으로 분광학은 프리즘에 의해 분산된 가시광선의 기상 물질에 의한 흡수의 파장 의존성에 대한 연구로 시작되었다.

분광학은 주로 전자파 스펙트럼에서 천문학, 화학, 재료 과학, 물리학 분야에서 기초적인 탐색 도구이며, 물질의 구성, 물리적 구조 및 전자 구조를 원자, 분자, 거시적 규모로 그리고 천문학적 거리에 걸쳐 조사할 수 있습니다.중요한 응용 분야에는 조직 분석 및 의료 영상 분야의 생물의학 분광학이 포함된다.

서론

분광학은 물질의 [7]구조와 특성에 관한 정보를 얻기 위해 분광기기에 의해 측정된 파장 또는 주파수의 함수로서 전자기 복사의 스펙트럼과 관련된 과학 분야이다.스펙트럼 측정 장치는 분광계, 분광광도계, 분광기 또는 스펙트럼 분석기라고 합니다.실험실의 대부분의 분광 분석은 분석 대상 샘플에서 시작하여 원하는 광스펙트럼 범위에서 광원을 선택한 다음, 빛을 샘플을 통해 분산 어레이(회절 격자 장치)로 보내 포토다이오드에 의해 포착됩니다.천문학적 목적을 위해, 망원경은 광분산 장치를 갖추고 있어야 한다.이 기본 설정에는 다양한 버전을 사용할 수 있습니다.

과학으로서의 분광학은 아이작 뉴턴이 프리즘으로 빛을 쪼개면서 시작되었고 [8]광학이라고 불렸다.그러므로, 이것은 원래 우리가 색깔이라고 부르는 가시광선에 대한 연구였고, 후에 제임스 클럭 맥스웰의 연구 아래 전자파 [9]스펙트럼 전체를 포함하게 되었다.색상은 분광학에는 관여하지만, 우리의 눈에 색감을 주기 위해 특정 전자파의 흡수 및 반사를 수반하는 요소나 물체의 색과는 동일하지 않다.오히려 분광학은 프리즘, 회절 격자 또는 유사한 기구에 의해 빛을 쪼개서 각각의 다른 종류의 원소들에 고유한 "스펙트럼"이라고 불리는 특정한 이산적인 선 패턴을 방출하는 것을 포함한다.대부분의 원소는 스펙트럼을 조사할 수 있도록 먼저 기체상에 배치되지만, 현재는 다른 위상에서 다른 방법을 사용할 수 있다.프리즘 형태의 기구에 의해 회절되는 각 소자는 소자의 냉각 [10]또는 가열 여부에 따라 흡수 스펙트럼 또는 발광 스펙트럼 중 하나를 표시한다.

최근까지 모든 스펙트럼 분석에는 라인 스펙트럼 연구가 포함되었으며 대부분의 스펙트럼 분석에서는 여전히 그러하다.[11]진동 분광학은 [12]스펙트럼을 연구하는 분광학의 한 분야이다.그러나 스펙트럼 분석의 최신 발전은 때때로 분산 기술을 없앨 수 있다.생화학 분광학에서는 흡수 및 빛 산란 기술을 통해 생체 조직에 대한 정보를 수집할 수 있다.광산란 분광법은 탄성 [13]산란을 조사하여 조직의 구조를 결정하는 반사 분광법의 일종이다.이러한 경우, 회절 또는 분산 메커니즘으로 작용하는 것이 조직이다.

스펙트럼 분석 연구는 양자 역학의 발달의 중심이었다. 왜냐하면 최초의 유용한 원자 모형은 수소의 스펙트럼을 설명했고, 그 모델은 모두 수소의 스펙트럼 라인을 생산할 수 있었다. 따라서 수소의 개별 양자 점프를 위한 기초를 제공했다.이산 수소 스펙트럼을 tch한다.또한 막스 플랑크의 흑체 복사에 대한 설명은 분광학을 포함했는데, 그는 광도계를 사용하여 빛의 파장을 흑체의 [14]온도에 비교하고 있었기 때문이다.원자와 분자는 독특한 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 분광학은 물리 화학과 분석 화학에서 사용된다.그 결과, 이러한 스펙트럼을 사용해 원자와 분자에 관한 정보를 검출, 식별 및 정량화할 수 있다.분광학은 또한 천문학과 지구에서의 원격 감지에도 사용된다.대부분의 연구용 망원경은 분광기를 가지고 있다.측정된 스펙트럼은 천체(별의 온도, 원소 밀도, 속도, 블랙홀 등)[15]의 화학적 구성과 물리적 특성을 결정하는 데 사용된다.분광학의 중요한 용도는 생화학이다.분자 샘플은 종 식별 및 에너지 [16]함량을 위해 분석될 수 있다.

이론.

분광학의 중심 이론은 빛이 다른 파장으로 만들어지고 각각의 파장이 다른 주파수에 대응한다는 것이다.스펙트럼 분석의 중요성은 주기율표의 모든 다른 원소가 빛이 회절될 때 전자기 스펙트럼의 동일한 부분에 지속적으로 나타나거나 방출하는 빛의 주파수에 의해 설명되는 독특한 광스펙트럼을 가지고 있다는 사실에 집중되어 있다.이것은 모든 물질인 원자를 포함하는 모든 연구 분야를 열었다.분광학은 모든 물질의 원자 성질을 이해하는 열쇠이다.그러한 분광학으로 인해 아직 발견되지 않은 많은 과학의 하위 분야가 열렸다.각 원자 원소가 고유한 스펙트럼 특성을 가지고 있다는 개념은 스펙트럼 분석을 다양한 스펙트럼 분석 절차에 의해 달성된 특정 목표를 가진 다양한 분야에서 사용할 수 있게 했다.각 원소에 대한 이러한 고유한 스펙트럼 라인은 너무 많은 과학 분야에서 중요하기 때문에 정부는 NIST [17]웹사이트에서 보다 정밀한 측정으로 지속적으로 업데이트되는 공공 원자 스펙트럼 데이터베이스를 보유하고 있다.

분광학 분야가 확대되는 것은 전자기 스펙트럼의 어떤 부분도 적외선부터 자외선까지 샘플을 분석하기 위해 사용될 수 있기 때문에 과학자들에게 동일한 표본에 대한 다른 특성을 알려줄 수 있기 때문이다.예를 들어, 화학 분석에서 가장 일반적인 분광학에는 원자 분광학, 적외선 분광학, 자외선 및 가시 분광학, 라만 분광학 및 핵자기 [18]공명이 포함된다.핵자기 공명에서는 주파수가 공명 및 그에 상응하는 공명 주파수와 유사하다는 이론이 있습니다.주파수에 의한 공명은 [19]갈릴레오에 의해 잘 알려진 운동 주파수를 가진 추와 같은 기계 시스템에서 처음 특징지어졌습니다.

방법의 분류

초정밀 에스프레소 [20]스펙트로그래프의 중심에 있는 거대한 회절 격자.

분광학은 많은 하위 분야가 존재할 정도로 충분히 넓은 분야이며, 각각은 특정 분광기법의 수많은 구현을 가지고 있다.다양한 구현 및 기술은 여러 가지 방법으로 분류할 수 있습니다.

방사 에너지의 종류

스펙트럼 분석의 유형은 상호작용에 관여하는 복사 에너지의 유형에 따라 구분된다.많은 애플리케이션에서 스펙트럼은 이 에너지의 강도 또는 주파수의 변화를 측정하여 결정된다.조사된 방사 에너지의 유형은 다음과 같다.

상호 작용의 성질

스펙트럼 분석의 유형은 에너지와 물질 간의 상호작용 특성으로도 구별할 수 있다.이러한 상호작용에는 다음이 포함됩니다.[5]

  • 흡수분광법 : 복사원으로부터의 에너지가 물질에 흡수될 때 흡수된다.흡수는 종종 물질을 통해 전달되는 에너지의 비율을 측정하여 결정되며, 흡수는 전달되는 부분을 감소시킵니다.
  • 발광 분광법:방출은 물질에 의해 방사 에너지가 방출됨을 나타냅니다.물질의 흑체 스펙트럼은 온도에 의해 결정되는 자발적 방출 스펙트럼이다.이 기능은 대기 방출 방사 간섭계와 [21]같은 기기를 통해 적외선에서 측정할 수 있습니다.발광은 또한 형광의 경우 불꽃, 스파크, 전기 아크 또는 전자파 복사와 같은 다른 에너지원에 의해 유도될 수 있다.
  • 탄성 산란 및 반사 분광법은 입사 방사선이 물질에 의해 어떻게 반사되거나 산란되는지를 결정한다.결정학은 단백질과 고체 결정에서 원자의 배치를 조사하기 위해 X선과 전자와 같은 고에너지 방사선의 산란을 이용한다.
  • 임피던스 분광법:임피던스는 매체가 에너지의 투과율을 방해하거나 느리게 하는 능력입니다.광학 어플리케이션의 경우, 이것은 굴절률에 의해 특징지어집니다.
  • 비탄성 산란 현상은 방사선과 산란 방사선의 파장을 바꾸는 물질 사이의 에너지 교환을 포함한다.여기에는 라만과 콤프턴 산란이 포함된다.
  • 간섭성 또는 공명 분광학은 복사 에너지가 복사장에 의해 유지되는 간섭성 상호작용으로 물질의 두 양자 상태를 결합하는 기술이다.일관성은 입자 충돌 및 에너지 전달과 같은 다른 상호작용에 의해 파괴될 수 있으며, 따라서 종종 고강도 방사선이 지속되어야 한다.핵자기공명(NMR) 분광법은 널리 사용되는 공명법이며, 적외선 및 가시 스펙트럼 영역에서도 초고속 레이저 분광법이 가능하다.
  • 핵분광법은 특정 핵의 특성을 이용하여 물질의 국소 구조, 주로 응축 물질, 액체 또는 냉동 액체 및 생물 분자를 조사하는 방법이다.

재료의 종류

분광학적 연구는 복사 에너지가 특정 유형의 물질과 상호작용하도록 설계된다.

원자

원자분광학이 최초로 개발된 분광학이다.원자 흡수 분광법과 원자 방출 분광법은 가시광선과 자외선을 포함한다.종종 원자 스펙트럼 라인으로 불리는 이러한 흡수 및 방출은 한 전자 궤도에서 다른 전자 궤도로 오르내릴 때 외부 껍질 전자의 전자적 천이 때문이다.원자는 또한 내부 껍질 전자가 들뜬 상태로 들뜨는 것에 기인하는 뚜렷한 X선 스펙트럼을 가지고 있다.

서로 다른 원소의 원자는 뚜렷한 스펙트럼을 가지므로 원자분광학으로 표본의 원소 조성을 식별하고 정량화할 수 있다.이 분광기를 발명한 후, 로버트 분센과 구스타프 키르히호프는 그들의 방출 스펙트럼을 관찰함으로써 새로운 원소를 발견했다.원자 흡수선은 태양 스펙트럼에서 관측되며 발견자의 이름을 따서 프라운호퍼 선이라고 한다.수소 스펙트럼에 대한 포괄적인 설명은 양자 역학의 초기 성공이었고, 수소 스펙트럼에서 관측된 램의 이동을 설명했고, 이는 양자 전기 역학의 발전으로 이어졌다.

가시적 및 자외선 전이를 연구하기 위한 원자 분광학에는 불꽃 방출 분광학, 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광학, 글로 방전 분광학, 마이크로파 유도 플라즈마 분광학, 스파크 또는 아크 발광 분광학 등이 있다.X선 스펙트럼을 연구하기 위한 기술에는 X선 스펙트럼 분석과 X선 형광이 포함된다.

분자

분자로의 원자의 조합은 독특한 형태의 에너지 상태를 만들어내고, 따라서 이러한 상태들 사이의 전환에 대한 독특한 스펙트럼을 만들어 냅니다.분자 스펙트럼은 전자 스핀 상태(전자 상사성 공명), 분자 회전, 분자 진동 및 전자 상태에 의해 얻을 수 있다.회전은 원자핵의 집합 운동이며 일반적으로 마이크로파 및 밀리파 스펙트럼 영역에 스펙트럼을 발생시킨다.회전 분광법과 마이크로파 분광법은 동의어이다.진동은 원자핵의 상대적 운동으로 적외선과 라만 분광법에 의해 연구된다.전자 들뜸은 형광 분광법뿐만 아니라 가시 및 자외선 분광법을 사용하여 연구된다.

분자분광학 연구는 첫 번째 메서의 개발로 이어졌고 레이저의 후속 개발에 기여했다.

크리스털 및 확장 재료

원자나 분자의 결합으로 결정이나 다른 확장된 형태가 추가 에너지 상태를 생성한다.이러한 상태는 수가 많기 때문에 상태 밀도가 높습니다.이러한 고밀도는 종종 스펙트럼을 약하게 만들고 덜 뚜렷하게 만든다. 즉, 더 넓게 만든다.예를 들어, 흑체 복사는 물질 내의 원자와 분자의 열운동에 기인한다.음향 및 기계적 반응도 집단 동작에 기인합니다.그러나 순수한 결정은 뚜렷한 스펙트럼 전이를 가질 수 있으며, 결정 배열은 관찰된 분자 스펙트럼에도 영향을 미친다.결정의 규칙적인 격자 구조는 결정학 연구를 가능하게 하는 X선, 전자 또는 중성자를 산란시킨다.

핵

또한 원자핵은 광범위하게 분리되어 감마선 스펙트럼을 발생시키는 뚜렷한 에너지 상태를 가지고 있다.뚜렷한 핵 스핀 상태는 자기장에 의해 에너지가 분리될 수 있으며, 이것은 핵자기 공명 분광학을 가능하게 한다.

기타 타입

다른 유형의 분광학은 특정 애플리케이션 또는 구현에 따라 구별된다.

적용들

UVES는 초대형 [29]망원경의 고해상도 분광기입니다.

분광학에는 의학, 물리학, 화학, 천문학 분야에서 몇 가지 응용 분야가 있다.흡광도와 천문학 방출의 특성을 이용하여, 분광학은 자연의 특정 상태를 식별하는데 사용될 수 있다.매우 다양한 분야와 다양한 응용 분야에서 분광학의 사용은 전문 과학 하위 분야를 야기했다.예를 들어 다음과 같습니다.

  • 샘플의[30] 원자 구조 결정
  • 태양과 먼 은하의[31] 스펙트럼 방출선 연구
  • 우주 탐사
  • 광섬유를 사용한 복합재료의 경화 모니터링.
  • 근적외선 [32]분광법을 사용하여 풍화 목재 노출 시간 추정.
  • 가시 스펙트럼과 적외선 스펙트럼의 흡수 분광법에 의한 식품 샘플의 다른 화합물 측정.
  • 혈액 검체 내 독성 화합물 측정
  • X선 형광에 의한 비파괴 원소 분석.
  • 다양한 분광기를 이용한 전자 구조 연구.
  • 멀리 있는 물체의 속도와 속도를 결정하는 빨간색 이동
  • 근육의 대사 구조 결정
  • 담수 및 해양생태계의 용존산소량
  • 효과 개선을 위한 의약품 구조 변경
  • 단백질 특성 분석
  • 병원에서의[33] 호흡가스 분석
  • 상대론적 도플러 [34]효과를 이용하여 멀리 있는 별이나 가까운 외계행성의 물리적 성질을 찾는 것.
  • In-ovo sexing: 분광학으로 알이 부화하는 동안 성별을 결정할 수 있습니다.프랑스와 독일 회사가 개발한 양국은 2022년에 [35]주로 맥케레이터를 통해 이루어지는 병아리 도태를 금지하기로 결정했다.

역사

주요 기사:분광학의 역사

분광학의 역사는 아이작 뉴턴의 광학 실험 (1666–1672년)으로 시작되었다.앤드류 프라크누이와 데이비드 모리슨에 따르면, "1672년, 그가 왕립학회에 제출한 첫 번째 논문에서, 아이작 뉴턴은 햇빛이 작은 구멍을 통과하고 그 다음에 프리즘을 통과하도록 하는 실험을 묘사했다.뉴턴은 우리에게 하얗게 보이는 햇빛이 실제로는 [36]무지개의 모든 색깔의 혼합물로 이루어져 있다는 것을 발견했습니다."뉴턴은 "스펙트럼"이라는 단어를 결합하여 하얀 빛을 만들고 흰 빛이 프리즘을 통과할 때 드러나는 무지개를 묘사하기 위해 적용했다.

Fraknoi와 Morrison은 "1802년, William Hyde Wollaston이 스크린에 태양의 스펙트럼을 집중시키는 렌즈를 포함한 개선된 분광계를 만들었다.사용했을 때, 울라스톤은 색이 균일하게 퍼지는 것이 아니라 [36]스펙트럼에서 어두운 띠처럼 보이는 색의 패치가 없다는 것을 깨달았습니다."1800년대 초, 요제프 폰 프라운호퍼는 분광학이 보다 정밀하고 정량적인 과학적 기술이 될 수 있게 해주는 분산 분광계를 가지고 실험적인 발전을 이루었습니다.그 이후로, 분광학은 화학, 물리학, 천문학에서 중요한 역할을 해왔고 계속해서 중요한 역할을 하고 있다.Fraknoi와 Morrison은 "나중에 1815년에 독일의 물리학자 Joseph Fraunhofer도 태양 스펙트럼을 조사했고, 약 600개의 어두운 선(색깔이 빠진)을 발견했는데, 지금은 Fraunhofer 선,[36][better source needed] 즉 흡수선으로 알려져 있다."

양자역학계에서, 유사한 공명은 광자와 같은 에너지의 진동원을 통해 원자 같은 한 시스템의 두 개의 양자역학 정지 상태의 결합이다.두 상태의 결합은 소스의 에너지가 두 상태 간의 에너지 차이에 일치할 때 가장 강력합니다.광자의 에너지 E는 E = h에 의한 주파수 δ와 관련이 있으며, 여기서 h는 플랑크의 상수이므로 시스템 응답 대 광자 주파수의 스펙트럼은 공명 주파수 또는 에너지에서 피크에 이를 것이다.전자와 중성자와 같은 입자는 운동 에너지와 파장 및 주파수 사이에 비슷한 관계인 드 브로이 관계를 가지며, 따라서 공명 상호작용을 자극할 수도 있습니다.

원자와 분자의 스펙트럼은 종종 일련의 스펙트럼 라인으로 구성되며, 각각은 서로 다른 두 양자 상태 사이의 공명을 나타낸다.이 시리즈의 설명과 그에 관련된 스펙트럼 패턴은 양자역학의 발전과 수용을 이끈 실험적인 수수께끼 중 하나였다.특히 수소 스펙트럼 시리즈는 수소 원자의 러더포드-보어 양자 모델에 의해 성공적으로 설명되었다.어떤 경우에는 스펙트럼 라인이 잘 분리되고 구별이 가능하지만, 에너지 상태의 밀도가 충분히 높을 경우 스펙트럼 라인은 중복될 수 있으며 단일 천이로 보인다.명명된 일련의 선에는 주계열, 샤프계열, 확산계열 및 기본계열 등이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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