تحقیق درباره طیف الکترو مغناطیس

طیف الکترومغناطیسی (بیناب الکترو مغناطیس)

در مبحث اپتیک بیشتر بررسیها در ناحیه نور مرئی است، در صورتی که نور در داخل طیف الکترو مغناطیسی جا گرفته و خواص و محاسبات آن تمام گسترده طول موجی را شامل می‌شود. امّا در الکترومغناطیس شاید تا به حال پرتوهای ایکس (X) ، پرتوهای گاما (γ) ، پرتوهای کیهانی ، موج رادیویی ، امواج تلویزیونی ، امواج ماکرو ویو و ... به گوشتان خورده است. در چنین حالتی می خواهید بدانید که ....

اشعه ایکس چی هست؟

مکانیزم عمل عکس برداریها و رادیو لوژی چیست؟

با تابش ایکس و گاما و ... چگونه عکس می‌گیرند؟

چرا فقط عکس استخوانها می‌افتد؟

اموج رادیویی چیست و سرعت آن چقدر است؟

فرستنده و گیرنده رادیویی چگونه کار می‌کنند و یا ساخته می‌شوند؟

انتقال نور و تصویر در امواج تلویزیونی مشاهده و دریافت تصویر از آن چگونه صورت می‌گیرد؟

ماهواره‌ها چگونه کار می‌کنند؟

برای چه پشت بام آنتن گذاشته‌ایم؟ و هزاران پدیده دیگر ... .

کاربرد و بررسی طول موجهای مختلف طیف الکترومغناطیسی

در حالت کلی بایستی چگونگی بازتابها و شکستها از مرزهای مختلف هادیها و عایقها و مواد قطبی و مواد غیر قطبی و .... ، و چگونگی عبور تابش از آزمایشهای مربوط به هوا و روشهای تمرکز پرتوها ، روشهای انتشار و چگونگی انتشار و ماهیت امواج الکترو مغناطیسی و چگونه تولید می‌شوند و قوانین حاکم بر آن را بدانیم. اما باید بدانیم در تمام ناحیه الکترومغناطیسی تمامی دستگاهها نمی‌توانند، کارآیی خوبی داشته باشند و اکثر سیستمهای کاربردی محدود به ناحیه خاصی از این گستره طول موجی می‌باشند. مثلا سیستم رادیو فقط ناحیه موج رادیویی را پوشش می‌دهد.

دوربینهای مادون قرمز برای این ناحیه ساخته شده‌اند و برخی ناسازگاریهایی از قبیل اینکه ناحیه پرتو ایکس هیج ماده‌ای با توان شکست ثابت برای ساختن عدسی وجود ندارد، زیرا اشعه ایکس از شیشه نمی‌تواند عبور کند، برخلاف نور مرئی که راحت عبور می‌کند. لذا برای هر نوع تمرکز و تصویر در گستره اشعه ایکس از آینه استفاده می‌کنند.

نحوه تولید امواج الکترو مغناطیسی

جسم سیاه که با نظریه مکانیک کوانتومی توضیح داده می‌شود، تمام ناحیه طول موجی بیناب الکترومغناطیسی را تولید می‌کند (نشر) و برعکس کلیه طول موجهایش را جذب می‌کند. اکثر لامپهای تخلیه الکتریکی ناحیه خاصی را ایجاد می‌کند. مواد رادیواکتیو با تشعشع هسته‌ای پرتوهای ایکس و پرتوهای گاما را شامل هستند. تحریکات اتمی بیشتر ناحیه مرئی را شامل می‌شوند. تحریکات داخلی اتمی به پرتوهای ایکس منجر می‌شوند، رشته‌های تنگستن برای نورهای مرئی مناسبند. در تخلیه‌های الکتریکی در یک گاز ، نظیر لوله منور لامپهای نئونی ، یک سری از طول موجهای گسسته گسیل (نشر) می‌کند. وقتی نور حاصل از لامپ هیدروژن را به یک منشور منتقل نماییم خطوط طیفی اتم هیدروژن به طول موجهای اصلی خود تجزیه می‌گردد و با رنگهای مختلف نمایان می‌گردد. اصطلاح خط طیفی بخاطر پایداری طول موجهای خاص تولید آن طول موجهای اصلی در هر گستره طول موجی به نورهای آن سیستم استفاده شده است.

لامپ سدیم

چراغهای خیابان نیز از آن است طیف زرد رنگی دارد که گسیل اصلی آْن در دو طول موج 589 و 590 نانومتر صورت می‌گیرد، طیف اتم هیدروژن نه تنها از تحریک اتمی آن مشاهده شده که خطوط طیفی گسسته‌ای دارد و برخی رنگها از قبیل (نیلی و سبز و زرد و آبی و ...) را شامل می‌شود، بوسیله طیف خورشید نیز دیده می‌شود. این خطوط توسط دانشمندان خورشید شناسی از جمله جوزف فرانهوفر (Joseph Von Fraungofer) با حروف الفبا علامت گذاری شده‌اند، مثلا خط D سدیم و ... . با اختراع لیزر (Laser) ، اکنون وجود دارند که می‌توان خروجیهای قوی در یک طول موج منفرد تولید کنند. ما در طبیعت طیف گسسته ، منفرد نداریم مثلا برای نور زرد یک گستره طول موجی حدودآ 0.6 نانومتر داریم.

چشمه‌های طبیعی

خورشید و ستارگان که ناحیه مرئی را پوشش می‌دهند.

مواد رادیواکتیو طبیعی ( گسیلنده پرتوهای ایکس و گاما) مانند کبالت (Co- 60) و اورانیوم(U-137) و ... که ناحیه ایکس و گاما را شامل می‌شوند.

پرتو های کیهانی که از فضای یونسفر خارج از جو زمین می‌آیند.

پرتوهای مادون قرمز و فرو سرخ و ماورای بنفش که از خورشید و ستارگان ایجاد می‌کردند.

برخی مولکولهای ویژه دو ساختاری یا چند ساختاری که ناحیه‌های لیزری و میزری را دارند، مانند آمونیاک ، یاقوت و ... .

چشمه‌های مصنوعی

انواع لامپها که مکانیزمهای قوسهای الکتریکی و تخلیه‌های الکتریکی و ... را دارند مانند لامپ فلاش ، لامپ سدیم و ...

کاواکهای جسم سیاه: شاید تا به حال دیده باشید که وقتی آهن را گرم می‌کنیم ازخود نور تابش می‌کند.

لیزرها که از مواد فعالی مانند یاقوت (نئودنیوم یق ND:YAG) و ... که در طیفهای گسترده یا طول موجهای منفرد بصورت پالسی یا گسترده ساخته می‌شوند.

میزرها (Masers) که ناحیه طول موجی ماکروویو را می‌پوشانند. مانند میزرهای آمونیاک و ...

اشعه ی مادون قرمز

گسترده اشعه مادون قرمز

منطقه اشعه مادون قرمز بین طول موجهای 0.8 میکرومتر (که حد نور مرئی است) و 343 میکرومتر قرار دارد.

 در اشعه مادون قرمز طول موجهای کوتاهتر از 1.5 میکرومتر از پوست می‌گذرند و بقیه جذب شده و تولید حرارت می‌کنند. اشعه مادون قرمز را به دو قسمت تقسیم می‌کنند:

طول موجهای بین 0.8 میکرومتر تا 4 میکرومتر.

طول موجهای بلندتر از 4 میکرومتر که اغلب بوسیله مواد جذب می‌شوند، بخصوص طول موجهای بلندتر از 10 میکرومتر بوسیله هوا کاملا جذب می‌شوند.

جذب اشعه مادون قرمز

آب یکی از مواد خیلی جاذب اشعه مادون قرمز است. محلول نمک طعام در حدود 20 برابر آب خالص اشعه را جذب می‌کند.

شیشه معمولی برای اشعه مادون قرمز بلند به کلی غیر قابل نفوذ است و مورد استفاده آن در ساختن گلخانه‌ها برای حفظ گلها از سرما به سبب همین خاصیت است.

منابع اشعه مادون قرمز

منبع طبیعی

بزرگترین منبع طبیعی اشعه مادون قرمز ، خورشید است. مقداری از نور آفتاب که به ما می‌رسد، دارای اشعه مادون قرمز کوتاه است، زیرا پرتوهای مادون قرمز بلند آن در طبقات هوا جذب شده‌اند.

منبع مصنوعی

اجسام ملتهب

بهترین منبع مصنوعی برای اشعه مادون قرمز ، اجسام ملتهب می‌باشند که طول موج آنها بر حسب درجه حرارت تغییر می‌کند. اگر بخواهیم اشعه مادون قرمز تنها داشته باشیم، باید نور این قبیل منابع مصنوعی را بوسیله شیشه‌هایی که در ترکیب آنها ید و یا اکسید منگنز دو (MnO) وجود دارد، صاف کنیم. این نوع صافیها طیف مرئی را جذب می‌کند و فقط اشعه مادون قرمز کوتاه را عبور می‌دهند.

عبور حریان الکتریکی از مقاومتها

روش دیگر که سهل و عملی است، عبور جریان الکتریکی از مقاوتهای فلزی است، بطوری که این مقاوتها سرخ می‌شوند. این مقاومتها غالبا از آلیاژهای آهن و نیکل ساخته شده‌اند.

چراغ با مفتول زغال چراغهایی که مفتول آنها از زغال چوب ساخته شده است، نیز به نسبت زیاد اشعه مادون قرمز دارند. در این چراغ نسبت اشعه کوتاه بین 1 میکرومتر و 7 میکرومتر خیلی کم ، ولی نسبت اشعه مادون قرمز بلند آن زیاد است.

چراغ بخار جیوه چراغ بخار جیوه نیز ، اشعه مادون قرمز با طول موج کوتاه بین 0.92 میکرومتر و 1.3 میکرومتر تولید می‌کند، ولی نسبت اشعه حاصله نسبت به سایر منابع کمتر است.

اندازه گیری اشعه مادون قرمز

برای اندازه گیری اشعه مادون قرمز از جذب انرژی حرارتی آن استفاده می‌نمایند، یعنی این اشعه را به جسمی می‌تابانند که بتواند کلیه انرژی را جذب کند و سپس مقدار حرارتی را که در جسم مزبور تولید گشته ، اندازه می‌گیرند.

پیل ترموالکتریکی : وسیله دقیق دیگر برای اندازه گیری اشعه مادون قرمز ، استفاده از پیل ترموالکتریک می‌باشد که در آن انرژی حرارتی تبدیل به انرژی الکتریکی می‌شود و به سهولت قابل اندازه گیری است.

سوزن ترموالکتریک : برای اندازه گیری درجه حرارت در داخل نسوج زنده از دستگاهی به نامسوزن ترموالکتریک استفاده می‌کنند.

خواص فیزیولوژیکی اشعه مادون قرمز

اشعه مادون قرمز سبب گرم شدن پوست و نسج سلولی زیر جلدی می‌شود.

اشعه مادون قرمز ممکن است در پوست سوختگی‌های نسبتا شدیدی ایجاد نماید.

اگر اشعه مادون قرمز را به مقدار مناسب بکار برند، در نتیجه اتساع رگهای زیر پوست ، سببتسهیل اعمال فیزیولوژیک پوست می‌شود و حتی از راه عکس‌العمل پوستی در بهبودی حال عمومی ‌نیز می‌تواند موثر واقع شود.

این اشعه خاصیت تسکین درد را نیز دارد که علت آن همان اتساع عروق و بهتر انجام گرفتن عمل رفع سموم و تغذیه بافتها است.

کاربرد اشعه مادون قرمز

ترموگرافی

طیف سنجی

بالا بردن متابولیسم

طیف سنجی

توان زیاد پرتو لیزری ، کاربرد آن را در اندازه گیری جذب نمونه‌های چگال ، امکان‌پذیر می‌سازد. حساسیت روش ، بسیار بالاست و لیزر ، همزمان کار چندین لامپ هالوکاتد را انجام می‌دهد. یکی از کاربردهای طیف سنجی با لیزر ،‌ اندازه گیری غلظت با لیزر|اندازه گیری غلظت خاکهای نادر در محلولهای آبی یا مخلوط آنها می‌باشد.

تجزیه مقادیر ناچیز و تک اتم

حساسیت فوق العاده یونیزاسیون با لیزر برای دستیابی به حد تشخیص بی‌نهایت کم از شگفت‌انگیزترین نتایجی است که دانشمندان را برای تشخیص یک اتم یا یک مولکول ، بیش از پیش امیدوار کرده است.

طیف سنجی مولکولی

از مطالعات لیزر در طیف سنجی لیزر در طیف سنجی مولکولی ، می‌توان لومنیسانس وفتویونیزاسیون را نام برد که نتایج درخشانی در تفکیک کامل طیفی و گزینش پذیری در جذب چند فوتونی برای اندازه گیری مقادیر کم اجسام ، حاصل شده است.

طیف سنجی جرمی

در چندین سال اخیر ، علاقه زیادی به ترکیب لیزر و طیف سنجی جرمی (MS) معطوف شده است. این ترکیب در بر گیرنده دو روش است: روشهای چند فوتونی و شیوه‌های دفع سطحی.

طیف سنجی جرمی با لیزر

نگاه کلی

بعد از اینکه دانشمندان توانستند عمل یونیزاسیون را توسط لیزر انجام دهند، با تلفیق این روش باطیف سنجی‌ جرمی توانستند با تبخیر نمونه و ایجاد یون ، از طریق طیف‌سنجی قادر به شناسایی یونهای ایجاد شده گردند. در روش طیف‌سنجی جرمی از یک منبع لیزر ضربانی با شدت زیاد برای تبخیر و یونش مقدار کمی از جسم جامد استفاده می‌شود. سپس یونهای مولکولی و عنصری توسط یک طیف سنج جرمی ، مجهز به تحلیلگر زمان پرواز مورد تجزیه قرار می‌گیرد. حساسیت بالا ، سرعت زیاد در کاربرد در زمینه تجزیه مواد آلی و معدنی از مزایای این روش می‌باشد.

در روش طیف‌سنجی جرمی لیزری یونهای فراوانی را می‌توان با استفاده از یک لیزر ضربانی با عمر ضربه زیاد بدست آورد. این یونها دارای انرژی جنبشی متفاوت هستند، بطوری که یک تجزیه جرمی موفق ، به دستگاههای تمرکز دهنده مضاعف همراه با عبور طیف جرمی خیلی کم بستگی دارد.

تاریخچه

اولین مطالعات راجع به سیستم لیزر به کار رفته در طیف سنجی جرمی لیزری درسال 1963 توسط "هانینگ" گزارش شد. در این روش از یک لیزر ضربانی یاقوت با قطر پرتو 150µmو عمر ضربه 50µs به همراه یک طیف‌سنج جرمی با تمرکز دهنده مضاعف استفاده شده بود. با مطالعات فراوان روی کاهش عمر ضربات لیزر و کاهش قطر نقاط متمرکز درسال 1966 اولین استفاده حقیقی از طیف سنج جرمی لیزری ، با استفاده از یک لیزر یاقوت با طول ضربانهایی درحدود نانوثانیه و قطر پرتو در حدود 20µm ، گزارش شد.

"هایلن کامپ" و همکارانش در سال 1975 با استفاده از تمرکز دهنده‌های مخصوص ، قطر پرتو لیزر را به 0.5µm رساندند. با این روش حد تشخیص 0.2ppm برای لیتیم روی سطحنازکی ( 1µm - 0.1 ) از رزین اپوکسی بدست آمد. توسعه بعدی در این زمینه توسط"خزورنگ" و همکارانش درسال 1978 صورت گرفت. ایشان با استفاده از یک بازتابشگر یون ( تمرکر دهنده زمانی ) در یک طیف‌سنجی جرمی زمان پرواز ، درجه تفکیک جرم را افزایش دادند.

روشهای طیف سنجی جرمی با لیزر

در چندین سال اخیر ، توجه زیادی در میان دانشمندان شیمی تجزیه‌ای به دو شاخه جدید درطیف‌سنج جرمی لیزری معطوف شده است.

روشهای چند فوتونی

این روش شامل برهمکنش مستقیم بین فوتونهای تابش لیزر با مولکولها ، اتمها و یونها در فازگاز می‌باشد و خود شامل دو روش می‌باشد:

یونیزاسیون: یونیزاسیون چندفوتونی که ممکن است رزونانسی یا غیر رزونانسی باشد و برای تجزیه عنصری در حساسیت‌های بالا بکار می‌رود.

تفکیک نوری: این روشها شامل جهش‌های الکترونی هستند و برای اتمها یا مولکولهای خاصی گزینش پذیری دارند.

روشهای دفع سطحی

این روش شامل برهمکنش پرتو لیزر با نمونه در فاز جامد می‌باشد که بدین وسیله یونهای مولکولی و تکه‌های ساختاری مهم از مولکولهای پیچیده ، فرار و بسیار بزرگ تولید می‌شوند. بطور کلی حالتهای مختلفی برای ایجاد یون از جسم جامد بکار برده می‌شوند که از همه مهمتر روش دفع سطحی با لیزر و تبخیر با لیزر می‌باشد.

طیف‌سنجی جرمی رزونانس - یونیزاسیون

برای متخصصان طیف‌سنجی روشهای چند فوتونی امکان مطالعه جهش‌های الکترونی در مولکولهای خنثی را فراهم می‌سازد. یونیزاسیون چند فوتونی حساسیت طیف‌های جذبی جهش‌های غیر مجاز را افزایش می‌دهد. روشهای رزونانسی بازده زیادی از نظر یونیزاسیون داشته و از گزینش پذیری بالایی برخوردارند، درحالیکه یونیزاسیون غیررزونانسی حساسیت و گزینش پذیری کمتری داشته و تکه‌های کمتری ایجاد می‌کند.

با استفاده از روش یونیزاسیون رزونانسی طیف‌سنجی جرمی می‌توان فراوانی ایزوتوپی عناصر را حتی در غلظتهای بسیار کم و یا در حضور مزاحمتهای ایزوباری حذف نمود. تکنیکهای رزونانس - یونیزاسیون بر مبنای برانگیختن نوری الکترونها در اتمهای آزاد (حالت گازی) پایه‌ریزی شده است. در این روش تعداد الکترونهای آزادی که در مرحله برانگیختگی یونی ایجاد می‌شود، می‌تواند افزایش یافته ، توسط یک شمارشگر نسبی گازی تشخیص داده شود.

زمان تجزیه

مهمترین مزیت طیف‌سنجی جرمی با لیزر ، توانایی این روش در تجزیه بسیار سریع و فوق‌العاده مواد آلی و معدنی موجود در مقدار اندکی از نمونه است. در فاصله چند دقیقه بعد از برقراری خلأ ، بعد از انتخاب سطح تجزیه‌ای ، نمونه تجزیه شده ، طیف حاصله به کامپیوتر منتقل می‌گردد.

مزایای روش

مزایای عمده یونیزاسیون و طیف‌سنجی جرمی با لیزر ، قابل تغییر بودن قدرت لیزر برای ایجاد محدوده‌ای از شرایط یونیزاسیون می‌باشد. یکی از خصوصیات جالب این روش ، توانایی آن در ایجاد پیکهای اصلی از بسیاری از ترکیبات غیر فرار با وزن مولکولی بالاست که امکان دیدن آنها با طیف‌سنجهای جرمی معمولی وجود ندارد.

مزاحمتها

دو نوع مزاحمت در این روش وجود دارد.

مزاحمتهای طیفی ناشی از تفکیک جرمی محدودی است که اغلب برای تشخیص تکه‌هایعنصری و مولکولی ممکن کافی نیست.

مزاحمتهای شیمیایی همواره به خاطر اثرات زمینه مقادیر بسیار کم ناخالصیها بوجود می‌آیند.

حد تشخیص

روشهای طیف سنجی جرمی لیزری در زمره حساس‌ترین روشها برای تجزیه مقادیر کم به حساب می‌آید. حد تشخیص در حدود ^20-10 تا ^8-10 می‌باشد، ولی از لحاظ تکرار پذیری این روش دقت خوبی ندارد و این ، به علت تغییرات (در چگالی پرتو) تابیده شده به نمونه می‌باشد.

کاربردها

تجزیه کیفی و نیمه کیفی برای تشخیص و حدس درباره زمینه و عناصر با مقادیر بسیار کم نمونه.

به عنوان وسیله‌ای برای دنبال کردن تغییرات ناشی از عوامل خارجی در ساختار نمونه.

به عنوان وسیله‌ای برای تشخیص ( اثر انگشت خاص ) ، یک نمونه.

برای حصول اطلاعات مربوط به اجزای مولکولی موجود.

به عنوان وسیله‌ای برای ترسیم ساختار شیمیایی نمونه‌های ناهمگن.

این روش در تجزیه فلزات به منظور تعیین کربن و اکسیژن و نیتروژن آنها بکار می‌رود. در اندازه گیری ایزوتوپی ، عناصری مانند اورانیوم و پلوتونیوم استفاده می‌شود. برای تعیینترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا در ریز بلورها استفاده می‌شود. دسته زیادی از ترکیبات معدنی شامل غیرفلزات ، فلزات ، اکسیدهای فلزی و نمکها و کمپلکسها و همچنین پلیمرها توسط روش دفع سطحی با لیزر ، طیف‌سنجی جرمی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.