Спектроскопия

Спектроскопи́я (от лат. spectrum – представление, образ и ...скопия), раздел физики, посвящённый исследованию распределения интенсивности электромагнитного излучения по длинам волн или частотам. Методами спектроскопии исследуют уровни энергии и структуру атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, изучают квантовые переходы между уровнями энергии, взаимодействия атомов и молекул, а также макроскопические характеристики объектов – температуру, плотность, скорость макроскопического движения и др. Важнейшие области применения спектроскопии – спектральный анализ, астрофизика, исследование свойств газов, плазмы, жидкостей и твёрдых тел.

Начало экспериментальной спектроскопии положено И. Ньютоном, который в 1666 г. с помощью стеклянной призмы разложил солнечный свет на компоненты различного цвета. Интерпретация спектральных цветовых компонент как волн с различной длиной волны дана в 1801 г. Т. Юнгом. Визуальное наблюдение спектров при помощи первых спектральных приборов позволило в 1802 г. обнаружить линии поглощения в непрерывном спектре звёзд (фраунгоферовы линии) и открыть химический элемент гелий (1868). Систематическое изучение спектров началось во 2-й половине 19 в. В 1859 г. Г. Р. Кирхгоф сформулировал принципы спектрального анализа. Н. Бор в 1913 г. объяснил закономерности в расположении спектральных линий. Изучение спектров атомов послужило основой создания квантовой механики.

По типам спектров различают эмиссионную спектроскопию, исследующую спектры испускания, и абсорбционную спектроскопию, изучающую спектры поглощения. По типу исследуемых объектов спектроскопия делится на атомную (см. Атомные спектры) и молекулярную (см. Молекулярные спектры), спектроскопию плазмы и спектроскопию вещества в конденсированном состоянии, в частности спектроскопию кристаллов. В 1970–1980-х гг. возникла спектроскопия поверхности, занимающаяся спектральными исследованиями поверхностей и тонких плёнок.

По диапазонам длин волн (или частот) выделяют: радиоспектроскопию, микроволновую спектроскопию, субмиллиметровую спектроскопию, оптическую спектроскопию (в том числе инфракрасную спектроскопию, ультрафиолетовую спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию) и гамма-спектроскопию. По характеру взаимодействия излучения с веществом спектроскопию подразделяют на линейную (обычную) и нелинейную спектроскопию, которая возникла благодаря применению лазеров для возбуждения спектров. Спектроскопию разделяют также по методам возбуждения и наблюдения спектров. Широкое применение получили акустооптическая спектроскопия, когерентная спектроскопия, спектроскопия насыщения, спектроскопия гетеродинирования, модуляционная спектроскопия, многофотонная спектроскопия, фемто- и пикосекундная спектроскопия, спектроскопия фононного эха, спектроскопия квантовых биений и другие методы лазерной спектроскопии. Существенное развитие получила фурье-спектроскопия с использованием фурье-спектрометров высокого разрешения.

Экспериментальное исследование спектров проводят с помощью спектральных приборов – монохроматоров, спектрометров, спектрографов, спектрофотометров, спектроанализаторов и др.

К спектроскопии в широком смысле относят также ядерную спектроскопию, а также спектроскопию нейтронов, нейтрино и др. Распределение атомных частиц по массам и энергиям изучает масс-спектроскопия, интенсивности звука по его частоте – акустическая спектроскопия, электронов по энергиям – электронная спектроскопия.