Что такое спектроскопия?

 https://postnauka.ru/faq/45707

Физик Андрей Наумов о структуре спектров, свечении вещества и изучении органических молекул

Спектроскопия — это наука о взаимодействии электромагнитного излучения с веществами. В процессе этого взаимодействия мы получаем информацию как о самом свете, так и о веществе. Самый простой случай — это то, что известно с давних пор, когда знаменитый химик Бунзен кинул обычную поваренную соль в пламя, в результате чего соль вспыхнула яркими звездочками. Если это свечение разложить на спектры с помощью какого-то прибора, например призмы или дифракционной решетки, то можно увидеть появившиеся линии. Эти линии получили название спектральные линии, изучая их можно узнать, как устроено то вещество, над которым ведется наблюдение, — в данном случае оказалось возможным изучать натрий, который входит в состав поваренной соли. В этом и состоит смысл спектрального анализа.

Анализируя свечение вещества (газа, жидкости, твердого тела) можно узнать как оно устроено, из каких атомов и молекул состоит, как эти атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом. Выяснилось, что спектры различных веществ могут быть разными. Самый простой случай — это спектры атомов и ионов (например, атомарного водорода). В таких случаях регистрируются спектры, которые сравнительно просты для анализа и представляют собой набор узких спектральных линий. Благодаря такому спектральному анализу можно проанализировать, как устроен атом, какие в нем есть уровни энергии.

Но атомный спектральный анализ работает исключительно в том случае, если мы имеем дело с простыми веществами, однако человеку всегда хотелось узнать структуру более сложных веществ. А еще больше хотелось понять, как же устроена органика, поскольку и сам человек состоит из органических молекул, и природа вокруг нас состоит из органических молекул. Это, как правило, очень сложные молекулы, которые могут состоять из десятков или даже сотен различных атомов углерода, водорода, кислорода, азота, металлов и так далее. Однако к ним нельзя применить атомный спектральный анализ. Почему? Потому что чем сложнее объект, тем сложнее его спектр. Скажем, спектр атома водорода, который состоит только из ядра и электрона, хорошо расшифровывается, потому что это довольно простой объект. И это правило применимо ко всем простым веществам, — скажем, к железу или урану.

Но в случае органических молекул спектры, которые получают в результате эксперимента, оказывались невероятно сложными — широкими и бесструктурными. Обычно исследуют так называемую люминесценцию органических молекул в жидких или твердых растворах. Для этого вещество заставляют светиться, возбуждая это свечение тем или иным способом (освещая с помощью специально подобранного источника света, прикладывая электрическое или магнитное поле).

В подавляющем большинстве случаев при этом мы получаем очень широкий спектр и практически полное отсутствие структуры. Это связано со сложностью молекул и с тем, что в них происходит. У сложной молекулы много степеней свободы: она может двигаться, вращаться, внутри молекулы атомы могут колебаться по отношению друг к другу. Кроме того, разные молекулы могут находиться в разных условиях, вследствие чего их спектры также будут немного отличаться. В конечном итоге такие спектры получаются практически неинформативными. Из-за этого на протяжении многих лет спектроскопия сложных органических соединений оставалась, во-многом, чисто наблюдательной наукой. Например, можно было изучать порфириновые соединения, производные которых присутствуют в крови человека, — именно из-за этих молекул кровь и обладает красным цветом. Однако более подробная информация о таких молекулах была недоступна.

Люминесцентной спектроскопией сложных соединений занимались многие научные группы — сотрудники многих ВУЗов и научных институтов. Так, например, в Физическом Институте имени Лебедева зародилась целая научная школа, основанная бывшим президентом АН СССР Сергеем Ивановичем Вавиловым. И усилия ученых привели к решению многих экспериментальных и теоретических проблем.

Следующим большим шагом в спектроскопии стала идея о том, что для лучшего изучения спектров необходимо уменьшить степень свободы молекул.

То есть необходимо взять молекулы и разместить их не в жидкости, а в твердом теле, например заместив какой-либо прозрачный молекулярный кристалл. В некоторых случаях это дало результат, и необходимые изменения в широких полосах произошли, однако и этот метод не стал универсальным.

Революция в спектроскопии произошла, благодаря работам коллектива из Московского Педагогического Института (в настоящее время — Московского Государственного Педагогического Университета) под руководством Эдуарда Владимировича Шпольского, который в 1950-х годах открыл так называемый эффект Шпольского. Они стали изучать спектры люминесценции твердых растворов молекул красителей при очень низких температурах, и обнаружили, что в ряде случаев спектры становятся «квазилинейчатыми». При этом структура спектра — взаимное расположение и интенсивности линий несут информацию о внутреннем устройстве молекулы. Благодаря этому мы смогли перейти от спектроскопии атомов и простых молекул к спектроскопии сложных органических соединений.

Следующим большим прорывом в науке стало появление нового направления — селективной лазерной спектроскопии. Стало возможно возбуждать свечение не всех молекул в образце, а только отдельных ансамблей, возбуждая их спектры с помощью лазера. А в наши дни, благодаря современному оборудованию, мы перешли к спектроскопии одиночных молекул. Это новое перспективное направление исследований, результаты которых применяются в биохимии, биофизике и физической химии.