Что такое спектроскопия?
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 Боднер 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, с их помощью можно узнать, как устроено то вещество, над которым ведется наблюдение, — в данном случае это поваренная соль. В этом и состоит смысл спектрального анализа.
Анализируя свечение вещества, атомов, молекул, твердости, жидкости, мы узнаем, как устроено это вещество изнутри. Таким образом, анализируя спектры веществ, мы получаем информацию об этих веществах. Очевидно, что эти спектры могут быть разными. Самый простой случай — это газы. Например, водород — мы изучаем его атомные спектры, и, когда удается получить свечение этого газа, мы получаем линии, благодаря которым мы можем проанализировать, как устроен водород, какие там есть уровни энергии и как устроены атомы и молекулы водорода.
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 многих 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. Такие спектры называются атомными, или линейчатыми, и, анализируя их линии, можно понять, как устроены их атомы. Но в случае органических молекул спектры, которые мы получаем, оказывались невероятно сложными — они оказывались очень широкими и бесструктурными. Так как обычно мы анализируем так называемую реминисценцию органических молекул — например, в жидком растворе мы получаем очень широкий спектр и практически полное отсутствие структуры — и так как мы не видим структуры спектра, то не можем анализировать его внутреннее устройство. Это связано со сложностью молекул и с тем, что в них происходит много внутреннего движения, то есть внутри такой молекулы атомы могут колебаться по отношению друг к другу, а сама молекула может вращаться. Кроме того, разные молекулы могут находиться в разных условиях, и их спектры также будут немного отличаться. В конечном итоге такие спектры получаются практически неинформативными. Из-за этого на протяжении многих лет спектрология оставалась чисто наблюдательной наукой. Например, можно было изучать молекулы порфирина, которые присутствуют в соединениях, входящих в состав крови человека, — именно из-за этих молекул кровь и обладает красным цветом. Однако узнать другие вещи об этой молекуле мы не могли, потому что она бесструктурная.
Однако спектроскопией продолжали заниматься многие научные группы. Была очень большая научная школа в Институте им. Лебедева, которой руководил Сергей Иванович Вавилов, бывший глава АН СССР. В его лаборатории многие годы занимались анализом спектров реминисценции.
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 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 Эдуарда Владимировича Шпольского, который в 1950-х годах открыл так называемый эффект Шпольского: он нашел способ «заморозить» необходимые молекулы. Благодаря этому мы смогли перейти от атомной спектроскопии к молекулярной и изучать более сложные соединения.
Следующим большим прорывом в науке стало появление нового направления — селективной лазерной спектроскопии. Стало возможно изучать спектры молекул с помощью лазера, до этого их изучали под воздействием ртутных ламп. 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.
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
