مطيافية الأشعة تحت الحمراء

طيف للأشعة تحت الحمراء للبروموميثان (CH₃Br), وهو يبين قمم عند الأرقام الموجية 3000 و 1300 و 1000 cm⁻¹ .

لكي يكون الجزيء فعال في مطيافية الأشعة تحت الحمراء، بمعنى أن يكون له طيفاً في هذه المنطقة من أطوال الموجة، يجب أن يمتلك الجزيء عزم ثنائي قطب. وعند تسليط الأشعة تحت الحمراء على الجزيء يحدث تداخل بين المجال الكهربائي للأشعة تحت الحمراء مع المجال الكهربائي المتولد عن عزم ثنائي قطب . وإذا توافق تردد المجال الكهربائي لشعاع من الأشعة تحت الحمراء مع تردد المجال في الجزيء، فإن الجزيء يمتص هذا الشعاع .

عندئذ يحدث امتصاص الجزيء للطاقة ينقله من مستوى اهتزازي واطئ إلى مستوى اهتزازي أعلى. وعند فقدان الطاقة ورجوع الجزيء إلى مستوى اهتزازه «الأرضي» (ليس مثارا) يحصل انبعاث للضوء تحت الأحمر يمكن لكاشف حساس تسجيله . وتسجل تلك البيانات على جهاز يرسمها على ورق بياني تمثل صورة طيف الأشعة تحت الحمراء.

ويمكن حساب مقدار التردد الممتص من قبل الجزيئات أو المواد باستخدام القانون:

${\displaystyle \nu ={\frac {1}{2\pi c}}{\sqrt {\frac {k}{\mu }}}}$

حيث:

${\displaystyle \nu }$ : التردد الاهتزازي (التردد اللازم لاهتزاز الجزيء المعني)،

c: سرعة الضوء في الفراغ،

π: النسبة الثابتة،

K: ثابت يمثل قوة رابطة الجزيء،

μ: الكتلة المختزلة وتساوي:

${\displaystyle \mu ={\frac {m_{A}m_{B}}{m_{A}+m_{B}}}}$

يمكن للجزيء أن يهتز بأنماط مختلفة وكل نمط منها متعلق بطاقة مميزة . ويعتمد عدد أنماط الاهتزاز في جزيء على عدد N من الذرات المكونة له . فإن الجزيئات الخطية تمتلك 3N - 5 درجات من أنماط الاهتزاز؛ بينما تمتلك الجزيئات غير الخطية 3N - 6 درجات من أنماط الاهتزاز (وتسمى أيضاً درجات الحرية). فعلى سبيل المثال، فإن جزيء الماء H₂O غير خطي ويمتلك 3= 6 - 3 × 3 درجات من أنماط الاهتزاز أو درجات الحرية.

تمتلك الجزيئات البسيطة ثنائية الذرات آصرة واحدة فقط، وحزمة اهتزاز واحدة أيضاً. فإذا كانت الجزيئة متناظرة كأن تكون N₂ فإن طيفها لا يظهر في مطيافية الأشعة تحت الحمراء ولكنه يظهر في مطيافية رامان. أما الجزيئات غير المتناظرة مثل CO فإنها تظهر طيفاً في هذه المطيافية. أما الجزيئات التي تحتوي على أكثر من ذرتين فإنها تمتلك أطيافاً معقدة نظراً لوجود الكثير من الاهتزازات فيها، وهذا يعني أن الجزيئات الكبيرة لها قمم امتصاص متعددة في مطيافية الأشعة تحت الحمراء.

يمكن للذرات في مجموعة CH₂ الشائعة في المركبات العضوية، أن تهتز بستة طرق مختلفة: مط متناظر وغير متناظر، انحناء مقصي، انحناء تأرجحي، انحناء التوائي، وانحناء ارتجاجي:

اهتزاز متناظر	اهتزاز غير متناظر	اهتزاز مقصي
اهتزاز تأرجحي	اهتزاز ارتجاجي	اهتزاز التوائي

يرمز للاهتزازات الامتطاطية بالرمز ν أما الاهتزازات الانحنائية فتأخذ الرمز δ.

تستخدم مطيافية الأشعة تحت الحمراء بشكل واسع في الأبحاث والصناعة كوسيلة بسيطة وموثوقة وفعالة للقياس، وضبط الجودة. فهي تستخدم بشكل خاص في التحليل الجنائي في القضايا المدنية وقضايا الجرائم، حيث تمكن من تعيين نوع البوليمر على سبيل المثال. وقد تعتبر أكثر الطرق استخدامًا في المطيافية التطبيقية.

أصبحت أدوات المطيافية الآن صغيرة، ويمكن نقلها، واستخدامها في التجارب الميدانية. ومع زيادة التقدم في مجال تقنية الحاسوب ومعالجة البيانات، يمكن قياس العينات في المحاليل بدقة (إلا أن له امتصاص كبير للاشعة، مما يجعل الأطياف غير مقروءة دون معالجتها باستخدام الحاسوب). بعض الأجهزة تعطينا تلقائيًا نوع المادة المقاسة من خلال مقارنتها مع آلاف الأطياف المرجعية المخزنة في ذاكرة الحاسوب.

يمكن قياس درجة التبلمر في صناعة البوليمر وذلك بقياس التغيرات في طبيعة أو كمية روابط معينة عند تردد معين مع مرور الزمن.

يمكن لأدوات البحث الحديثة قياس الأشعة تحت الحمراء لعينات تكون محل اهتمامنا بتكرار 32 مرة في الثانية. ويمكن أن يتم ذلك في وقت واحد أثناء القياس باستخدام تقنيات أخرى، وهذا يجعل من مراقبة التفاعلات الكيميائية والعمليات أسرع وأكثر دقة.

استخدمت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بنجاح كبير في كل من الكيمياء العضوية وغير العضوية. كما استخدمت أيضًا بنجاح في مجال الالكترونيات الدقيقة لأشباه الموصلات:[2] وعلى سبيل المثال، يمكن تطبيق مطيافية الأشعة تحت الحمراء على أشباه الموصلات مثل السليكون ، و زرنيخيد غاليوم ثلاثي ، ونتريد غاليوم ثلاثي، وسيلينيد الزنك، والسليكون غير المتبلور، ونتريد السليكون، الخ.

رقم الموجة (Wavenumber) مدرج في cm⁻¹.

يمتص الغلاف الجوي للأرض وعلى الأخص بخار الماء في الهواء الأشعة تحت الحمراء ذات اطوال موجة أطول من 2 ميكرومتر بشدة تجعل القياس في تلك النطاقات أقل وضوحا . لهذا تصمم التلسكوبات الأرضية لقياس نطاقات الأشعة تحت الحمراء الأقصر من 2 ميكرومتر. الحل الأمثل هو إرسال التلسكوب كقمر صناعي في الفضاء حيث لا يوجد جو في الطبقات العليا، وهناك يمكن تسجيل الأشعة تحت الحمراء في جميع نطاقاتها كاملة.

تصدر النجوم والمجرات أيضا أشعة تحت الحمراء. وتختلف نفاذية الأشعة الكهرومغناطيسية عند تخللها للغبار الكوني كثيرا بحسب طول موجة الأشعة . فتنخفض نفاذية طول موجة 2 ميكرومتر للاشعة تحت الحمراء القريبة (قريبة من الضوء الأحمر في طيف الضوء) إلى نحو 1/10 بمقارنتها بنفاذية الضوء المرئي . بذلك تصبح أجرام خلف سحابة الغبار مرئية ويمكن تصويرها، مثل تصوير النجوم الناشئة، وتصوير مركز المجرة وكذلك رصد حوصلة مجرة بعيدة تصدر أشعة تحت الحمراء.

في أكتوبر2011 أعلن علماء أن الغبار الكوني يحتوي مركبات عضوية أيضا، بعضها ألفاتي وبعضها عطري ، تبلغ أحجام تلك المركبات نحو 1و0 ميكرومتر، وهي قد تكون قد نشأت طبيعيا من النجوم.[3][4][5] أعلنت ناسا في فبراير 2014 عن تكوينها لقاعدة معلوماتية كبيرة، تعتمد على مطيافية الاشعة تحت الحمراء، بغرض البحث عن الهيدروكربونات العطرية PAHs في الكون. وطبقا لتقريرات المتخصصين في ناسا فربما يكون 20 % من الكربون في الكون مقترنا في هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات، وربما كانت تلك هي البنة الأولى لنشأة الحياة. ويبدو أن هيدروكربونات عطرية تكونت بعد فترة من الانفجار العظيم وتوزعت في الكون، كما أنها توجد في المرحل الأولى لتكون نجوم جديدة وفي كواكب خارج المجموعة الشمسية .[6]

• مطياف
• مطيافية
• مطيافية الكتلة
• مطيافية موسباور
• مطيافية الأشعة فوق البنفسجية
• مطياف نير لـ (مقراب جيمس ويب الفضائي)

• بوابة الفيزياء
• بوابة الكيمياء
• بوابة بصريات
• بوابة كيمياء تحليلية
• بوابة كيمياء فيزيائية