Въведение в спектроскопията

В това видео ще говорим за спектроскопията, чиято същност е взаимодействието между светлината и материята. И когато казвам светлина, нямам предвид само видимата светлина. Имам предвид електромагнитни излъчвания като цяло. За да видим логиката, сега ще използваме PhET симулатора на Университета на Колорадо. Окуражавам те да отидеш на този адрес (изписан в горния край на екрана) и да го пробваш самостоятелно. Но можеш да видиш, че това, което симулаторът прави, е да ни позволи да видим как различни дължини на вълните на електромагнитната радиация могат да взаимодействат с материята, в този случай, различни молекули. И за да започнем, можем да кликнем на тази диаграма на светлинния спектър, която ни показва това, което хората обикновено ще приемат за радиовълни. Това са някои от най-ниските честоти и най-дългите дължини на вълни на светлината. И после, когато стигнеш до по-високи честоти, стигаш до микро вълни, а колкото по-висока е честотата, толкова по-висока енергия имат фотоните. И после стигаш до по-високи честоти и по-висока енергия, това са инфрачервените, а после по-високи честоти и енергия, това е видимата светлина. Това могат да видят очите ни. И после стигаш до още по-висока честота и по-висока енергия. Стигаш до ултравиолетовите лъчи. После следват рентгенови и гама лъчи. Това не е линейна скала. Можеш да видиш, че това е логаритмична скала. Стойностите са дадени като степени на 10. Виждаме доста драстични увеличения на честотата и енергията, когато преминаваме от ляво надясно. Но в това видео ще се фокусираме по-конкретно върху микровълновите, инфрачервените, видимите и ултравиолетовите дължини на вълните на електромагнитните вълни и ще помислим как те взаимодействат с молекулите. Ако започнем с микровълновите лъчения – и тук имаме водна молекула, която избрах тук, и мога да започна симулацията. Можеш да видиш какво става, когато лъчението се абсорбира – това причинява ротационен преход във водната молекула – кара водната молекула да започне да се върти по различен начин. После водната молекула може също да излъчи радиацията и да започне да се върти различно. Можеш да видиш, че не винаги прави това. Тук се намесват до някаква степен вероятности, но това всъщност е основата на работата на микровълновите лъчения, на микровълновите печки – те карат водните молекули да се възбудят по ротационен начин, което увеличава топлината в системата. Можем също да разгледаме инфрачервената светлина, която е, отново, трябва да помним, с по-високи честоти, и да видим какво прави с молекулите. Въз основа на тази симулация изглежда инфрачервената радиация, когато се абсорбира, кара водната молекула да започне да вибрира. Микровълновата радиация я кара да се върти или да промени начина си на въртене, докато инфрачервената светлина я кара да вибрира. Можеш да видиш това и с други молекули. Да опитаме с въглероден моноксид. Отново, не я завърта, а я кара да вибрира. Ами видимата светлина? Видимата светлина има различни взаимодействия с различни видове молекули, но нека пробваме с азотен диоксид. Има определени случаи, в които азотният диоксид ще абсорбира – това е тогава, когато видиш молекулата да блести, и това, което се случва, когато блести, всъщност е довеждане на електроните до по-високоенергийно състояние или в по-висока орбитала, а после, когато спре да блести, това означава, че тези електрони се връщат обратно към по-нискоенергийно състояние. Те повторно излъчват радиация. Ето, можеш да го видиш. Можеш да го видиш сега, че излъчва отново видима светлина, в този случай в различна посока. И когато направи това, електронът, който беше възбуден, преминава към по-ниско енергийно състояние. Сега да разгледаме ултравиолетовата светлина, която има по-висока енергия от видимата светлина. Какво причинява тя? Можем да видим, че в определени случаи взима електрони и може да ги възбуди толкова много, че да разкъса самата връзка. И нека продължа да обновявам. Може да разкъса връзки. Да видим какво може да направи с озон. Същото нещо, възбужда го толкова много, че може да разкъса връзката. Възбужда електроните толкова много – мога да продължа да обновявам. Важният извод тук, който да запомниш, е, че микровълновите лъчения по принцип променят начина на въртене на молекулата – видяхме това с водните молекули. Инфрачервените лъчения, които са с по-висока енергия и по-висока честота, по принцип променят вибрационното движение. После видимата светлина може да възбуди електрони, да ги отнесе до по-високоенергийно състояние, а после фотоните могат да бъдат освободени отново, когато електронът се върне в основното си състояние. Ултравиолетовата светлина е толкова мощна, че може да възбуди електрони, така че в някои случаи дори да разкъса ковалентни връзки.