ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Спектроскопией называют раздел физики, посвященный спектрам электромагнитного (в частности, оптического) излучения, испускаемого или поглощаемого различными веществами. Спектроскопия позволяет исследовать структуру энергетических уровней как свободных атомов и молекул, так и образованных из них макроскопических систем.

При этом исследуются также квантовые переходы между различными энергетическими уровнями. В результате ученые получают важную информацию о составе, строении, физических свойствах тех или иных веществ.
Возможности спектроскопии оптического диапазона необычайно расширились с появлением лазеров. В традиционной спектроскопии, где используются нелазерные источники света, например электрический разряд или пламя, всегда имеют дело со спектром вещества, который образуется в результате квантовых переходов между огромным числом энергетических уровней. Применяя лазерное излучение с высокой степенью монохроматичности, можно избирательно инициировать переходы всякий раз между определенными уровнями или группами уровней. Плавно перестраивая частоту лазерного излучения, можно «просмотреть»

alt="" />

различные квантовые переходы. Это позволяет очень точно исследовать спектр данного вещества, выявить детали, которые не обнаруживаются при проведении традиционного спектрального анализа.
Одно из важных практических применений лазерной спектроскопии - контроль загрязнений атмосферного воздуха и морской воды. Об этом мы только что рассказывали. Остановимся теперь на другом применении - лазерном микроспектральном анализе; его используют, в частности, в современной криминалистической практике.
Криминалистам часто приходится подвергать анализу следы крови, краски, лака, губной помады, табачного пепла, металла и т.п., обнаруженные на тех или иных предметах, на одежде потерпевшего или лица, подозреваемого в совершении преступления. К сожалению, количество вещества в подобных случаях, как правило, столь ничтожно, что обычный химический анализ оказывается невозможным. Затруднен или невозможен в таких случаях и спектральный анализ с использованием традиционных методов (приготовление пробы с последующим возбуждением ее спектра испускания с помощью электрической искры, дуги, электронного пучка). Здесь на помощь криминалисту приходит лазерный луч.
Лазерный микроспектральный анализ проводят следующим образом. Под микроскопом фокусируют на поверхность исследуемого вещества мощный лазерный импульс (световое пятно имеет диаметр около 10 мкм). Вещество на облучаемом участке испаряется, в этом месте возникает плазма. Излучение плазмы фокусируют на входную щель спектрографа. Существенно, что в данном случае не нужно готовить какие- либо пробы вещества. Для анализа достаточно всего 10”6 г вещества; при этом надежно выявляют наличие в веществе до нескольких десятков химических элементов.

Криминалист может работать с исключительно слабыми следами вещества, даже с теми капельками жира, которые содержатся в отпечатках пальцев на посуде или других предметах. Анализ проводится быстро, его результаты (спектр вещества) можно сфотографировать и иметь в качестве документа.
Благодаря исключительной локальности воздействия на исследуемый образец лазерный луч оказался незаменимым при спектральном анализе в археологии,
где подчас приходится иметь дело с уникальными образцами. Лазерный импульс практически не оказывает на исследуемый образец разрушающего действия. После него на поверхности образца остается микроскопический кратер диаметром порядка 10 мкм, который невооруженным глазом не увидишь. В настоящее время лазерный микроспектральный анализ находит довольно широкое применение. К нему обращаются не только в криминалистике и археологии, но и при разведке месторождений полезных ископаемых, при исследованиях состава метеоритов, в металлографии, медицине, биологических исследованиях и т.д.
Особое направление в лазерной спектроскопии связано с использованием пикосекундных лазерных импульсов. Посылая мощный пикосекундный импульс света в вещество, можно вызвать там те или иные сверхбыстрые процессы. С помощью относительно слабых пикосекундных импульсов можно затем эти процессы исследовать.
Большое внимание уделяется в настоящее время пикосекундной спектроскопии первичных процессов фотосинтеза. Под термином «фотосинтез» объединяется совокупность сложных биологических или, лучше сказать, биохимических процессов, происходящих в зеленых листьях растений, морских водорослях, некоторых типах бактерий. Первичные процессы фотосинтеза включают: поглощение света Молекулами хлорофиллов и вспомогательными пигментами; перенос поглощенной энергии к так называемым реакционным центрам, в которых происходит разделение электрических зарядов; стабилизацию разделенных зарядов, являющуюся подготовительным этапом к последующим окислительно-восстановительным реакциям. Передача энергии в «реакционные центры» и разделение зарядов в «центрах» совершаются очень быстро-за время от 10~12 до 10“9 с. До появления лазеров, генерирующих пикосекундные импульсы, ученые не имели «инструмента» для детального исследования столь быстрых процессов. Теперь такой «инструмент» есть. В настоящее время соответствующие исследования интенсивно ведутся как в СССР, так и за рубежом. В СССР первый пикосекундный лазерный спектро- флюориметр для изучения первичных процессов фотосинтеза был создан на кафедре биофизики Московского государственного университета в 1975 г. Пико
секундные лазерные импульсы позволили выявить структуру «реакционных центров», прозондировать промежуточные состояния, уточнить картину протекания первичных процессов фотосинтеза.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ:

- Популярная физика -