طیف سنجی مادون قرمز، یا IR، یکی از انواع طیف سنجی ارتعاشی است، و همانطور که احتمالاً حدس زدهاید، تکنیکی برای طیف سنجی است که در آن ارتعاشات مولکولی مورد تحلیل قرار می گیرد. برای درک کامل طیف سنجی مادون قرمز، باید ابتدا اصول حرکت هماهنگ ساده را بدانیم.
دو گوی یا جسم را تصور کنید که با فنری به هم وصل شده اند. آنچه تصور کرده اید باید تقریباً مثل این باشد.
این همان چیزی است که به عنوان نوسانگر هماهنگ ساده شناخته میشود. وقتی که یک گوی به حرکت درآید، با بسامد(فرکانس)ی معین که به جرم گویها و سختی فنر بستگی دارد، نوسان خواهد کرد؛ یعنی در اثر وجود فنر به جلو و عقب ارتعاش میکند. گوی سبکتر نسبت به گوی با جرم بیشتر، آسانتر میتواند به اطراف حرکت کند. بنابراین اجرام کوچکتر با بسامدی بیشتر از اجرام بزرگتر نوسان میکنند. یک فنر بسیار سخت، مانند فنر تخت خواب، به سختی تغییر شکل میدهد و زمانی که نیروی اعمالی برداشته میشود، به سرعت به شکل اولیهی خود باز میگردد. اما یک فنر ضعیف به راحتی تغییر شکل میدهد و زمان بسیار بیشتری برای بازگشت به حالت اولیه نیاز دارد. از این رو، یک فنر سختتر با بسامدی بیشتر از یک فنر ضعیف نوسان خواهد کرد. پیوند شیمیایی بین دو اتم را میتوان به عنوان یک نوسانگر هماهنگ ساده در نظر گرفت. این پیوند همان فنر است، و دو اتم، یا گروه هایی از اتمها که از طریق پیوند به هم متصل شدهاند، همان اجرام هستند. هر اتمی جرم متفاوتی دارد، و پیوندهای یگانه، دوگانه، یا چندگانه هرکدام سختی متفاوتی دارد، و در نتیجه هر ترکیب از اتمها و پیوندها، بسامد هماهنگ منحصر به فرد مخصوص به خود را دارد. میتوانید دربارهی این ارتعاشات و بسامدها در اینجا مطالب بیشتری بیاموزید.
هنگامی که شیئی با بسامد معینی در حال ارتعاش است و با ارتعاش دیگری روبرو می شود که دقیقاً دارای همان بسامد است، جسم نوسانگر انرژی آن ارتعاش را جذب می کند. به عنوان مثال، یک سیم گیتار را در نظر بگیرید. اگر شما سیم G را به صدا درآورید و آن را مرتعش کنید ، سیم صدای زیبای نت سُل را تولید خواهد کرد. حالا اگر سیم D را در حالی که پرده ی پنجم آن را نگه داشته اید، به صدا درآورید، باز هم صدای نت سل شنیده خواهدشد؛ ولی در صورتی که به سیم ها با دقت نگاه کنید، درمی یابید که نه تنها سیم D در حال ارتعاش است، بلکه سیم G نیز در اثر انتقال بخشی از انرژی سیم D به آن، به ارتعاش واداشته شده است. این امر درباره ی مولکول های در حال ارتعاش نیز صحیح است، با این تفاوت که به صدا درآوردن سیم G اثری بر ارتعاشات پیوندهای شیمیایی نخواهد داشت!
در هر دمایی بیش از صفر مطلق، تمامی نوسانگرهای هماهنگ کوچکی که هر مولکول را تشکیل می دهند، به شدت ارتعاش می کنند. بسامد پرتو مادون قرمز نیز اتفاقاً در همان محدوده ی بسامدی که مولکول در حال ارتعاش قرار دارد هست. بنابراین، اگر یک اشعه ی مادون قرمز را به یک مولکول در حال ارتعاش بتابانیم، مولکول بسامدهایی از اشعه را که با بسامدهای نوسانگرهای هماهنگ مختلف تشکیل دهنده اش یکسان باشند، جذب می کند. وقتی این اشعه جذب شد، نوسانگرهای کوچک درون مولکول، به ارتعاش خود با همان بسامد ادامه می دهند؛ ولی از آنجایی که انرژی اشعه را جذب کرده اند، دامنه ارتعاش آنها افزایش می یابد. و این یعنی «فنرها» در مقایسه با قبل از جذب اشعه، بیش تر کشیده می شوند. اشعه ی باقیمانده که توسط هیچ یک از نوسانگرها در مولکول، جذب نشده است، از میان نمونه به یک آشکارساز منتقل می شود، و یک رایانه اشعه ی منتقل شده را تحلیل کرده و مشخص می کند که کدام بسامدها جذب شده اند.
در گذشته، برای به دست آوردن دادههای مناسب ناچار بودیم که هر بار تنها یک بسامد از اشعه مادون قرمز را به مولکول بتابانیم. این امر زمان بسیار زیادی میگرفت، چون بسامدهای بسیاری وجود دارد و برای دستیابی به یک طیف مناسب، پویشهای زیادی باید انجام میگرفت. ولی امروزه، به کمک الگوریتم بسیار جالب تبدیل فوریه، شما میتوانید به یکباره، مولکول را در معرض تمام بسامدهای اشعهی مادون قرمز قرار دهید، و تنها در کسری از زمان به طیفی کامل دست یابید. این الگوریتم شگفتانگیز تبدیل فوریه را در اینجا آوردهایم.
طیف سنجی مادون قرمز تکنیک تجزیه ای بسیار ساده ای است. ابتدا شما نیاز دارید ماده را به شکلی درآورید تا بتوان آن را در دستگاه طیف سنج مادون قرمز قرار داد. این کار معمولاً به دو روش انجام می شود: تهیه ی فیلمی از ماده روی صفحهای از نمک کلرید سدیم (نمک طعام)، و یا آسیاب کردن ماده به همراه برمید پتاسیم (KBr) و تهیه ی گرانول از آن. این نمک ها از آن جهت مورد استفاده قرار می گیرند که در مقابل اشعه ی مادون قرمز نامرئی هستند و اثری بر طیف نخواهند داشت. روش های دیگری برای آماده سازی یک نمونه وجود دارد، ولی برای کار با پلیمرها، این دو روش رایج ترین روش ها هستند. پس از آماده سازی، نمونه در طیف سنج یعنی در جایی که کاربر در عکس فوق نشان می دهد، قرار می گیرد. درپوش دستگاه بسته می شود و پس از چند ثانیه محفظه ی نمونه از دی اکسیدکربن پاکسازی می شود. با فشار دادن دکمه ی “SCAN” در رایانه در کمتر از یک دقیقه یک طیف مادون قرمز به دست خواهد آمد.
عناوین این بخش
مدهای ارتعاشی IR
نه تنها هر گروهی از اتمها در یک مولکول با بسامد خاص خود ارتعاش میکند، بلکه شش روش مختلف برای ارتعاش مولکولها وجود دارد. هر یک از این...