اسپکتروسکوپی (Spectroscopy) علمی است که برهمکنش تابش الکترومغناطیسی را (Electromagnetic radiation) با ماده را مورد مطالعه قرار می دهد.در این گونه برهم کنش ها تابش الکترومغناطیسی را می توان به عنوان مجموعه ای از بسته های انرژی مجزا به نام فوتون (Photon) در نظر گرفت. همچنین تابش الکترومغناطیسی علاوه بر خاصیت ذره ای دارای خاصیت موجی نیز هست. این خصوصیت دوگانه تابش الکترومغناطیسی به عنوان ذره و موج، نه تنها متناقض یکدیگر نبوده بلکه مکمل یکدیگر نیز هستند. بر اساس تئوری موجی، تابش الکترومغناطیسی از دو مؤلفه میدان‌ الکتریکی و میدان مغناطیسی ساخته شده‌است. این میدان‌ها در حال انتشار موج در محیط، بر یکدیگر و همچنین بر جهت پیشروی موج عمود هستند (شکل 1).

شکل 1- میدان های الکتریکی و مغناطیسی تابش الکترومغناطیسی

میدان‌ الکتریکی تابش الکترومغناطیسی باعث به وجود آمدن پدیده هایی مانند عبور(Transmission)، انعکاس (Reflection)، انکسار یا شکست (Refraction) و جذب (Absorption) در هنگام برهمکنش با ماده می شود. میدان‌ مغناطیسی تابش الکترومغناطیسی نیز در فرآیند جذب امواج مربوط به فرکانس های رادیویی در رزونانس مغناطیسی هسته ای (Nuclear Magnetic Resonance) مؤثر است. بنابراین در اینجا تنها میدان الکتریکی تابش الکترومغناطیسی به علت مؤثر بودن در پدیده های فوق مورد بررسی قرار می گیرد. شکل 2 مؤلفه های مرتبط با میدان الکتریکی را نشان می دهد [2و1].

چند رسانه ای1: آشنایی با طیف بینی uv-vis

دامنه (Amplitude, A) موج، طول بردار میدان الکتریکی تا نقطه بیشینه (Maximun) موج است. زمان لازم در واحد ثانیه برای عبور دو بیشینه یا دو کمینه متوالی از یک نقطه ثابت در فضا، دوره (Period, p) نامیده می شود. در حقیقت p، زمان لازم برای یک نوسان کامل موج است. طول موج (Wavelength - λ) مسافت بین دو قله یا دو دره متوالی (دو بیشینه یا دو کمینه متوالی) است که واحد آن معمولاً واحد های مشتق شده از متر است. بسامد (فرکانس Frequency) تعداد نوساناتی است که میدان مغناطیسی در واحد زمانی ثانیه انجام می‌دهد و با هرتز (Hz) اندازه گیری می‌شود. فرکانس برابر با معکوس p است. عدد موجی (Wavenumber,σ،) یک راه دیگر برای توصیف تابش الکترومغناطیسی است. عدد موجی عکس طول موج است و واحد آن cm^-1 است. عدد موجی یک معیار مناسب است چرا که با فرکانس و همچنین انرژی پرتو تابش نسبت مستقیم دارد. توان (Power, P) تابش، انرژی باریکه ای از موج است که در هر ثانیه به سطح معینی می رسد. شدت (Intensity, I)، توان در واحد زاویه فضایی است. این کمیت ها با مجذور دامنه (A) مرتبط اند.می توان انرژی یک فوتون را به طول موج و فرکانسش ربط داد (معادله 1)[2].

که در آن E انرژی با واحد ژول (J)، و ν  فرکانس (Hz, s^-1) ، و h ثابت پلانک (^34-10 ×  6.63 ژول ثانیه)، و c سرعت نور ( 10⁸×3.00 متر بر ثانیه، در خلأ )  و  λ  طول موج (m) تابش الکترومغناطیسی است. فرمول (1 و 3) نشان می دهد که انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس و عکس طول موج آن است. نکته دیگر اینکه فرکانس یک پرتو، تنها وابسته به منبع تابش آن است و بدون تغییر باقی می ماند. در مقایسه، سرعت تابش بستگی به محیطی دارد که پرتو از آن عبور می کند. پس با توجه به معادله (2)، می توان نتیجه گرفت که طول موج تابش هم بستگی به خصوصیات محیطی دارد که از آن عبور می کند. زیرنویس i در معادله (2) این موضوع را نشان می دهد. شکل 3 تغییرات در طول موج هنگام عبور تابش از هوا به شیشه و برعکس را نشان می دهد. سرعت انتشار تابش الکترومغناطیسی با ورود به محیط های مادی نسبت به خلأ کاهش می یابد. این پدیده به علت برهم کنش میدان الکترومغناطیسی تابش با الکترون های پیوندی موجود در ماده رخ می دهد.

شکل 3- تغییر در طول موج هنگام عبور از محیط های مختلف

از آنجایی که فرکانس پرتو تابش شده ثابت و از خصوصیات منبع است، طول موج و در نتیجه سرعت پرتو در هنگام خروج از خلأ و ورود به یک محیط مادی کاهش می یابد. شکل 3 نشان می دهد که طول موج و سرعت پرتو هنگام عبور از هوا به شیشه 30% کاهش می یابد [1].

به مطالعات کمی و کیفی انجام شده در اثر برهم کنش های ماده با تابش الکترومغناطیسی، آنالیزهای اسپکتروشیمیایی گفته می شود. به طور کلی این آنالیز ها با محدوده وسیعی از فرکانس سروکار دارند. این محدوده، امواج رادیویی تا پرتو های گاما را در بر می گیرد. می توان امواج الکترومغناطیسی را بر حسب فرکانسشان به نام‌های گوناگونی خواند: امواج رادیویی (Radiowaves)، ریزموج (Microwave)، فروسرخ (مادون قرمز، زیر قرمز Infrared, IR)، نور مرئی (Visible,Vis)، فرابنفش (Ultraviolet, UV)، پرتو ایکس (X-ray) و پرتو گاما (γ-ray). این نام‌ها به ترتیب افزایش فرکانس (کاهش طول موج) مرتب شده‌اند (شکل 4). همانطور که مشخص است کسری از طیف الکترومغناطیسی که به چشم انسان قابل رؤیت است (نور مرئی)، تنها ناحیه کوچکی از کل بازه را شامل می شود [3].

همچنین به خاطر داشته باشید با وجود اینکه چشم انسان تنها قادر به رؤیت پرتو های ناحیه مرئی است، روش های اسپکتروسکوپی در نواحی طیفی IR , Vis , UV اغلب روش های نوری (Optical Methods) نامیده می شوند. این امر به علت وجود جنبه های مشابه دستگاهوری (Instrumentation) و شباهت برهم کنش های تابش الکترومغناطیسی با ماده در این نواحی می باشد [2و1].

تقریبا تمامی الکترون ها موجود در اتم ها ، یون ها و مولکول ها، در دمای اتاق، در پایدار ترین تراز انرژی خود هستند و اصطلاحاً گفته می شود که ماده در حالت پایه (Ground state) قرار دارد. اگر به هر نحوی (گرمایی، نوری، الکتریکی، واکنش شیمیایی،...) الکترون های ماده، برانگیخته (Excited) شوند، به ترازهای انرژی بالاتر خواهند رفت. در این حالت ها اصطلاحاً گفته می شود که ماده در حالت برانگیخته (Excited state) قرار دارد. گاهی اوقات انرژی وارد شده در حدی است که باعث جدا شدن الکترون از ماده و یونیزاسیون (Ionization) می شود. دو فرضیه مهم در تئوری کوآنتومی وجود دارد [1] :

فرضیه اول: هر ذره بنیادی (اتم ها، یون ها و مولکول ها) مجموعه منحصر به فردی از حالت های انرژی دارد (هر کدام از این حالت ها مقدار انرژی مشخصی دارند) که پایین ترین آنها حالت پایه است. وقتی حالت انرژی یک گونه عوض می شود، مقدار انرژی مشخص و معینی که متناسب با تفاوت بین تراز های انرژی اش است جذب یا ساطع می کند.

فرضیه دوم: وقتی که ماده یک تغییر حالت به یک تراز انرژی دیگر انجام می دهد که منجر به جذب یا نشر می شود، در حقیقت یک فرکانس یا طول موج معین از تابش الکترومغناطیسی را جذب یا نشر می کند. این فرکانس یا طول موج، ویژگی منحصر به فرد ماده بوده و دقیقاً برابر است با تفاوت بین دو تراز انرژی که تبادل الکترونی بین آنها اتفاق افتاده است. معادله 4 این موضع را نشان می دهد که در آن *E انرژی تراز بالاتر و E₀ انرژی تراز پایین تر است.

برحسب اینکه طیف سنجی در کدام ناحیه طیفی انجام شود و کدام خصوصیات تابش (جذب، نشر، عبور، پراکندگی، انعکاس و...) بررسی شود، نوع انتقالات الکترونی و در نتیجه نوع طیف سنجی و دستگاهوری متفاوت خواهد بود.

در نامگذاری طیف بینی، جذب فرآیندی است که در آن یک گونه شیمیایی در یک محیط شفاف به طور گزینشی فرکانس های خاصی از تابش الکترومغناطیسی را تضعیف میکند (شدت آن را کاهش می دهد). در ناحیه فرابنفش/مرئی، انرژی تابش الکترومغناطیسی در حدی است که باعث انتقالات الکترونی در الکترونهای لایه ظرفیت (Valence electrons) می شود. برای اتم ها و یون ها در حالت عنصری انرژی هر تراز از حرکت الکترون ها اطراف هسته ناشی می شود. به این حالت های انرژی، تراز های انرژی الکترونی (Electronic states) گفته می شود. مولکول ها علاوه بر داشتن ترازهای انرژی الکترونی، ترازهای انرژی ارتعاشی (Vibrational states) و چرخشی (Rotational states) هم دارند. این تراز ها به ترتیب از ارتعاش بین اتمها در مولکول و از چرخش مولکول ها حول مرکز جرمی خودشان در فضا ناشی می شود. در نمودار سطوح ترازهای انرژی، ترازهای چرخشی متعددی در بین دو سطح ارتعاشی و ترازهای ارتعاشی متعددی نیز در بین سطوح ترازهای الکترونی قرار می گیرند. بر این اساس هر تراز الکترونی تراز های ارتعاشی و هر تراز ارتعاشی نیز به نوبه خود ترازهای چرخشی خاص خود را دارد. هر کدام از این حالات انرژی حدود ده مرتبه نسبت به یکدیگر کوچکترند (شکل 5).

شکل 5- تراز های انرژی در اتم ها (راست) و مولکول ها (چپ) [4]

در جذب اتمی، باریکه ای از تابش فرابنفش و مرئی از یک محیط حاوی اتم های گازی عبور می کند و تنها فرکانس های کمی توسط جذب در اتم تضعیف می شوند. چون اتم ها فقط دارای تراز های انرژی الکترونی هستند، طیف جذبی اتم ها شامل تعدادی خط (Line Spectra) جذبی باریک است. شکل 6 طیف جذبی فرابنفش / مرئی برای اتم های سدیم گازی است. محور عمودی جذب (Absorbance) است که مقیاسی از درجه تضعیف پرتو تابش است.

شکل 6- طیف جذبی برای بخار اتم  سدیم

در مقابل هنگامی که مولکول ها با تابش فرابنفش و مرئی برانگیخته شوند متحمل هر سه نوع انقالات کوآنتومی فوق می شوند (الکترونی، ارتعاشی، چرخشی). جذب مولکولی معمولاً به یک یا چند نوار جذبی (Band spectra) الکترونی منجر می شود که هر یک ازآنها از تعداد بی شماری خط مجزای نزدیک به هم تشکیل شده است. هر خط از انتقال یک الکترون از حالت پایه به یکی از چندین حالت انرژی ارتعاشی وچرخشی مربوط به هر حالت انرژی الکترونی برانگیخته حاصل می شود. از آنجا که تعداد بی شماری حالت های ارتعاشی و چرخشی وجود دارد، و چون انرژی آنها تفاوت کمی دارد، تعداد خط های موجود در نوار نوعی زیاد است و فاصله آنها از یکدیگر بسیار ناچیز است. شکل 7 قسمت a که قسمتی از طیف جذب مرئی برای بخار 1، 2، 4، 5 تترازین است، ساختار ظریفی (Fine Spectrum or Fine Structure) را نشان می دهد. در حالت گازی، مولکول های تترازین به اندازه کافی از یکدیگر جدا هستند تا به طور آزاد ارتعاش و چرخش کنند. تعداد زیادی خط جذبی تک حاصل از تعداد زیاد حالت های انرژی ارتعاشی / چرخشی به وضوح آشکار است. با این وجود، در حالت متراکم یا در محلول آزادی برای چرخش تا حد زیادی از بین میرود و خط های مربوط به تفاوت در تراز های انرژی چرخشی محو می شود. علاوه بر این، در محلول، به دلیل برخورد های موجود با مولکول های حلال، انرژی ترازهای ارتعاشی مختلف به طریق نامنظمی تغییر می کنند. در این حالت، انرژی یک تراز معین در مجموعه ای از مولکول ها شکل توزیع گوسی (زنگوله مانند) را به خود می گیرد. نتیجه این عمل پهن شدگی خط است. این اثر در حلال های قطبی مانند آب (شکل 7 قسمت c) در مقایسه با محیط های هیدروکربن غیر قطبی آشکارتر است (شکل 7 قسمت b ).

شکل 7 - طیف های جذبی مرئی ترکیب 1، 2، 4، 5 تترازین

عبارت آخر انرژی انتقالی مولکول را به نمایش می گذارد. این انرژی از انتقال کل مولکول در فضا یا به عبارت دیگر از حرکت مرکز جرم مولکول در سه بعد Z , Y, X ناشی می شود. همانطوری که گفته شد انرژی چرخشی، انرژی مربوط به چرخش مولکول حول گرانیگاه آن و انرژی ارتعاشی، به طور کلی مربوط به ارتعاشات اتم ها در مولکول است. اما انرژی الکترونی، انرژی مربوط به انتقالات الکترونی در اوربیتال های بیرونی مختلف مولکول است. مثلاً در شکل 6 انتقالات مربوط به برانگیخته شدن بیرونی ترین الکترون تک سدیم از حالت پایه اوربیتال 3s به اوربیتال های 3p و 4p و 5p است. در مولکول ها انتقالات در اوربیتال های مولکولی اتفاق می افتد. این اوربیتال ها از ادغام اوربیتال های اتمی حاصل می شوند (شکل 8) [5].

شکل 8 - تولید اوربیتال های مولکولی از ادغام اوربیتال های اتمی

در این مقاله توضیح کلی در مورد تابش الکترومغناطیسی، رفتار دوگانه موج- ذره ی آن، خواص و پارامترهای موج، انواع انتقالات در اتم ها و مولکول ها و نحوه بر هم کنش تابش الکترومغناطیسی با ماده در ناحیه فرابنفش / مرئی صحبت شده است.