طیف نگار

نام وسیله ای برای تهیه و ثبت دائمی طیف الکترومغناطیسی .در طیف نماهای اولیه ستاره شناسان به مشاهده مستقیم طیف می پرداختند ودر آنها از منشور جهت پراش پرتوهای نور استفاده می شده اما در حال حاضر طیف سنجها دارای ساختمان پیچیده تری هستند.طیف سنجها در مکانی ثابت در تلسکوپ مانند نقطه کانونی کوده (coude) ویا ناسمیت(nasmyth) نصب می شوند . باریکه نور از ستاره یا هرجسم سماوی از دهانه ای باریک از یک موازی کننده رد شده وبه صورت پرتوهایی موازی در می آید سپس وارد یک گرته پراشنده (diffraction grating) می شود که خود دارای هزاران خطوط موازی می باشد درنتیجه. این پرتو نور پراشیده شده وبه صورت طیف در می آید.سپس این طیف روی قطعه ای حساس مانند ccd ثبت می شود.دلیل کوچک بودن دهانه ورودی این است که نور ستاره که بدلیل عبور از جو وارد دستگاه می شود پخش شده وتصویر از حالت عادی پهن تر می شود.با استفاده از دهانه باریک٬ جلوی ورود این پرتوهای خراب کننده تصویر گرفته شده ودر نتیجه تصویر طیف تیز وواضحتر می شود.
در هر طیف‌نگار، توان تفکیک طیفی یکی از پارامترهای مهم کیفیت دستگاه است. هر چه بتوان خطوط طیفی را با دقت و ظرافت بیشتری از یکدیگر تفکیک کرد، امکان اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر و استخراج اطلاعات مهم‌تر فراهم می‌گردد. البته برای رسیدن به تفکیک بیشتر، علاوه بر طراحی طیف‌نگار، استفاده از تلسکوپ قوی‌تر و سی‌سی‌دی‌های حساس‌تر و با تفکیک بیشتر ضروری است. خوشبختانه در مورد خورشید، به علت شدت بسیار بالای نور آن، امکان دستیابی به جزییات بسیار ظریف طیف خورشید وجود دارد.

(یکی از فن آوری‌های نوین و انقلابی که امکان اندازه‌گیری سرعت شعاعی با دقت بسیار بالا را فراهم آورده است، استفاده از جذب رزونانسی بخار ید است. چند گروه پژوهشی با استفاده از این فنآوری موفق شده‌اند سرعت شعاعی یک ستاره را با دقت چند سانتیمتر بر ثانیه اندازه‌گیری کنند. این اندازه‌گیری‌ها در دهه اخیر منجر به کشف سیارات فرازمینی متعددی شده است. )

معرفی طیف نگار الکترونی افت انرژی (EELS)

شرکت در آزمون طیف نگاری الکترونی افت انرژی(Electron energy loss spectroscopy) به عنوان تکنیکی با کیفیت بالا محسوب می شود که برای آنالیز نمونه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد. اساس این روش بر مبنای برخوردهای غیرالاستیکی است که در طی برخورد الکترون ها به نمونه ایجاد می شود. بعضی از الکترون هایی که متحمل پراکنش غیرالاستیک می شوند بدون اینکه در مسیر حرکت آنها تغییر قابل توجهی بوجود آید، مقداری از انرژی خود را از دست می دهند. بنابراین آنها در باریکه الکترونی عبوری به همراه الکترون های پراکنش نیافته حضور خواهند داشت. مقدار افت انرژی که الکترون ها در طی پراکنش غیرالاستیک دارند، تابعی از عمل پراکنش تحمیلی می باشد. این الکترون ها اصطلاحاً الکترون های افت انرژی EELS نامیده شده و جهت تصویر و یا میکروآنالیز شیمیایی می توانند مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین الکترون های ورودی که مقداری از انرژی خود را در طی این فرایند از دست می دهند، منبع اطلاعات EELS می باشند. برای هر نوع اتمی که برهمکنش می دهد، مقدار مشخصی انرژی از دست می رود. با اندازه گیری انرژی الکترون پراکنش یافته و کسر آن از انرژی الکترون ورودی، مقدار انرژی از دست رفته قابل محاسبه می باشند. این افت انرژی مشخص کننده این است که چه نوع اتمی با الکترون ورودی برهمکنش داده که در نهایت امکان شناسایی نمونه فراهم می شود[1].

زمانیکه الکترون ها به نمونه برخورد می کنند، با اجزای تشکیل دهنده نمونه از طریق نیروهای الکترواستاتیک کولمبی برهمکنش می کنند. در نتیجه این نیروها، برخی از الکترون ها پراکنده شده، جهت حرکت آنها تغییر نموده یا در بسیاری موارد مقداری از انرژی خود را به نمونه انتقال می دهند. براین اساس می توان پراکندگی الکترون ها را در برخورد به نمونه به دو دسته الاستیک و غیرالاستیک طبقه بندی نمود.پراکندگی الاستیک شامل برهمکنش کولمبی الکترون با هسته اتم است. هر هسته تمرکز بالایی از بار را نشان می دهد و میدان الکتریکی در نزدیکی آن از شدت بالایی برخوردار است، در نتیجه زمانیکه الکترون برخوردی به آن نزدیک می شود با زاویه زیاد منحرف می شود. این نوع پراکندگی به پراکندگی رادرفورد معروف است زیرا توزیع زاویه ای این پراکندگی مشابه با محاسبات انجام گرفته توسط رادرفورد برای پراکندگی ذرات آلفا است.
اکثر الکترون ها در فاصله بیشتری از هسته یک اتم حرکت می کنند جایی که میدان هسته ضعیف تر است و در حقیقت هسته توسط الکترون های اتم مورد محافظت قرار می گیرد. در نتیجه بیشتر الکترون های برخوردی در زوایای کوچکتری پراکنده می شوند، عمدتاً در مورد انرژی برخوردی 100KeV در حد چند درجه (100-10میلی رادیان) است. در گاز یا جامد آمورف، اتم ها یا مولکول ها به طور مستقل از یکدیگر در پراکندگی نقش دارند، اما در جامد بلوری ماهیت موجی الکترون های برخوردی نمی تواند نادیده گرفته شود و تداخل بین امواج الکترونی پراکنده شده، پیوستگی توزیع شدت پراکندگی را تغییر می دهد و در زوایایی که مشخصه فاصله اتمی است پیک های تیزی ایجاد می شود[3].

1- پراکندگی غیرالاستیک

پراکندگی غیرالاستیک ناشی از برخورد بین الکترون برخوردی با الکترون های اتمی اطراف هر اتم است. پراکندگی غیرالاستیک یک عبارت کلی است که به هر فرآیندی که باعث می شود الکترون اولیه مقدار محسوسی از انرژی خود ΔE را از دست بدهند اطلاق می گردد. برای تجهیزاتی که معمولاً در میکروسکوپ های الکترونی به کار می رود، ΔE باید بسیار بیشتر از 0.1eVبوده تا قابل مشاهده باشد. فرایندهای بسیاری وجود دارد که باعث از دست رفتن انرژی الکترون اولیه و انتقال آن به الکترون ها یا اتم های نمونه می شوند. فرایندهای تفرق غیرالاستیکی (احتمالاً به صورت ترکیبی) باعث توقف یک الکترون توسط یک جامد می شوند. تقریباً تمام انرژی سینتیک الکترون اولیه، در نمونه به حرارت تبدیل می شود. بخش کوچکی از انرژی ممکن است به صورت پرتو X، نور یا الکترون های ثانویه فرار کند.

1-1- پراکندگی فونون

فونون ها کوانتای ارتعاشات اتمی در جسم جامد هستند. یک الکترون اولیه می تواند با تولید یک فونون، انرژی از دست داده و انرژی حرارتی به جسم وارد کند. مقدار افت انرژی در این تفرق (معمولاً کمتر از 1eV) و پویش آزاد میانگین برای الکترون ها (معمولاً در محدوده میکرومتر) بسیار کوچک هستند. این حقیقت بدین معناست که تفرق فونون بی اهمیت بوده و قابل اندازه‌گیری نیست. باید به این نکته توجه شود که تمام الکترون هایی که در جسم باقی می مانند احتمال دارد که بعد از اینکه مقادیر بیشتری از انرژی را به روش های دیگر از دست دادند نهایتاً فونون ایجاد کنند. همچنین وقتی تفرق اتفاق می افتد الکترون متفرق شده معمولاً تحت زاویه نسبتاً بزرگی (بیش از 10درجه) منحرف می شود[2].

2-1- پراکندگی پلاسمون

پلاسمون یک موج ایجاد شده توسط دریای الکترون‌های باند هدایت فلزات است. در غیرفلزات نیز اثرات مشابهی در الکترون های پیوندهای اتمی به وجود می‌آید. در پراکندگی پلاسمون، پرتو اولیه 5 تا 30 الکترون ولت از دست داده و پویش آزاد میانگین کوچکی (برای اغلب مواد حدود چند صد نانومتر) برای الکترون ثانویه ایجاد می‌کند. این نوع تفرق تفرق، در واکنش الکترون- جسم جامد بسیار اتفاق می افتد.