Спектральний аналіз

Запровадження …2.

Механізм излучения…3.

Розподіл енергії в спектре…4.

Види спектров…6.

Види спектральних анализов…7.

Заключение

…9.

Литература

…11.

Спектр — це розкладання світла на складові, промені різних кольорів. Метод дослідження хімічного складу різних речовин з їхньої линейчатым спектрам випущення чи поглинання називають спектральним аналізом. Для спектрального аналізу потрібно небагато речовини. Швидкість і чутливість зробили його незамінним як і лабораторіях, і у астрофізиці. Оскільки кожен хімічний елемент таблиці Менделєєва випромінює характерний тільки йому линейчатый спектр випущення і поглинання, то це дозволяє досліджувати хімічний склад речовини. Вперше його спробували зробити фізики Кірхгоф і Бунзен в 1859 року, спорудивши спектроскоп. Світло пропускався до нього через вузьку щілину, прорізану з одного краю підзорної труби (ця труба з щілиною називається коліматор). З коллиматора промені падали на призму, накриті ящиком, оклеенным зсередини чорної папером. Призма відхиляла убік промені, які йшли з щілини. Виходив спектр. Після цього завісили вікно шторою і направили у щілини коллиматора запалену горілку. У полум’я свічки вводили по черзі шматочки різних речовин, і дивилися через другу підзорну трубу на получающийся спектр. Чинився, що розпечені пари кожного елемента давали промені чітко визначеного кольору, і призма відхиляла ці промені на суворо певне місце, і жоден колір не міг замаскувати інший. Це дозволило дійти невтішного висновку, що знайдено радикально новий спосіб хімічного аналізу — за широким спектром речовини. У 1861 Кірхгоф довів з урахуванням цього відкриття присутність у хромосфере Сонця низки елементів, поклавши початок астрофизике.

Механизм излучения.

Джерело світла повинен споживати енергію. Світло — це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі 4*10−7 — 8*10−7 м. Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частки входить у склад атомів. Але, не знаючи, як влаштований атом, нічого достовірного про механізмі випромінювання сказати не можна. Зрозуміло лише, що в атома немає світла як і, як і струні рояля немає звуку. Подібно струні, початкуючою звучати лише після удару молоточка, атоми породжують світ лише після їх возбуждения.

Щоб атом почав випромінювати, він повинен передати енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію, й у безперервного світіння речовини необхідний приплив енергії для її атомам извне.

Теплове випромінювання. Найпростіший і поширений вид випромінювання — теплове випромінювання, у якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються з допомогою енергії теплового руху атомів чи (молекул) випромінює тіла. Що температура тіла, то швидше рухаються атоми. Зіткнувшись швидких атомів (молекул) друг з одним частина їхньої кінетичної енергії перетворюється на енергію порушення атомів, які потім випромінюють свет.

Тепловим джерелом випромінювання є Сонце, і навіть звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручний, але малоэкономичный джерело. Лише приблизно 12% всієї енергії, виділеної в лампі електричним струмом, перетворюється на енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум’я. Крупинки сажі розжарюються з допомогою енергії, выделяющейся при згорянні палива, і випускають свет.

Электролюминесценция. Енергія, необхідна атомам для випромінювання світла, може заимствоваться і з нетепловых джерел. При розряді в газах електричне полі повідомляє электронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони відчувають співудару з атомами. Частина кінетичною енергії електронів йде порушення атомів. Порушені атоми віддають енергію як світлових хвиль. Завдяки цьому розряд в газі супроводжується світінням. Це і электролюминесценция.

Катодолюминесценция. Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюминисенцией. Завдяки катодолюминесценции світяться екрани електронно-променевих трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. У певних хімічних реакціях, що з виділенням енергії, частину цієї енергії безпосередньо витрачається випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (вона має температуру довкілля). Це називається хемиолюминесценкией.

Фотолюминесценция. Падав на речовина світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія поглощаемого світла вона найчастіше викликає лише нагрівання тіл. Утім, деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під впливом падаючого нею випромінювання. Це і фотолюминесценция. Світло збуджує атоми речовини (побільшує їхні внутрішню енергію), після цього висвічуються самі. Наприклад, світні фарби, якими покривають багато ялинкові іграшки, випромінюють світло після їх облучения.

Випромінюваний при фотолюминесценции світло має, зазвичай, велику довжину хвилі, чом' світ, що збуджує світіння. Це можна спостерігати експериментально. Якщо доручити посудину з флюоресцеитом (органічний барвник) світловий пучок,.

пропущений через фіолетовий світлофільтр, ця рідина починає світитися зелене — жовтим світлом, т. е. світлом більшої довжини хвилі, ніж в фіолетового света.

Явище фотолюминесценции широко використовують у лампах денного світла. Радянський фізик З. І. Вавілов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під дією короткохвильового випромінювання газового розряду. Лампи денного світла приблизно три-чотири рази економічніше звичайних ламп накаливания.

Перелічено основні види випромінювань і джерела, їх створюють. Найбільш поширені джерела випромінювання — тепловые.

Розподіл енергії в спектре.

На екрані за заломлюючої призмою монохроматические кольору ще на спектрі містяться у наступному порядку: червоний (має найбільшу серед хвиль видимого світла довжину хвилі (к=7,6(10−7 метрів і найменше заломлення), помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий (має найменшу в видимому спектрі довжину хвилі (ф=4(10−7 метрів і найбільший показник заломлення). Жоден із джерел це не дає монохроматического світла, т. е. світла чітко визначеної довжини хвилі. У цьому вся нас переконують досліди з розкладання світла спектр з допомогою призми, і навіть досліди по інтерференції і дифракции.

Та енергія, яку несе з собою світ джерела, певним чином розподілено хвилями всіх довжин, які входять у склад світлового пучка. Можна ще сказати, що енергія розподілено за частотами, оскільки між довжиною хвиль і частотою існує проста зв’язок: (v = c.

Щільність потоку електромагнітного випромінювання, чи інтенсивність /, визначається енергією &W, що припадає попри всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами слід впровадити нову величину: інтенсивність, що припадає на одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною щільністю інтенсивності излучения.

Спектральную щільність потоку випромінювання можна знайти експериментально. І тому треба з допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад, електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали шириною Av.

Покладатися на очей в оцінці розподілу енергії не можна. Око має виборчої чутливістю до світла: максимум його чутливості лежать у жовто-зеленій області спектра. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже зовсім поглинати світло всіх довжин хвиль. У цьому енергія випромінювання (т. е. світла) викликає нагрівання тіла. Тому досить виміряти температуру тіла, і за нею будувати висновки про кількості поглинутою в одиницю часу энергии.

Звичайний термометр має малу чутливість у тому, що його можна була пов’язана з успіхом залучити до таких дослідах. Потрібні більш чутливі прилади для виміру температури. Можна взяти електричний термометр, у якому чутливий елемент виконаний у вигляді тонкій металевій пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаром сажі, майже зовсім яка поглинає світло будь-який довжини волны.

Чутливу до нагріванню пластину приладу слід розмістити у то чи інше місце спектра. Усьому видимому спектру довжиною l від червоних променів до фіолетових відповідає інтервал частот від vкр до сф. Ширині відповідає малий інтервал Av. По нагріванню чорної пластини приладу можна будувати висновки про щільності потоку випромінювання, що припадає на інтервал частот Av. Переміщуючи пластину вздовж спектра, ми виявимо, що більша частина частина енергії посідає червону частина спектра, а чи не на жовто-зелену, як здається на глаз.

За результатами цих дослідів можна побудувати криву залежності спектральною щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання визначається по температурі пластини, а частоту знаходиться, якщо використовуваний для розкладання світла прилад проградуирован, т. е. якщо відомо, який частоті відповідає даний ділянку спектра.

Відкладаючи по осі абсцис значення частот, відповідних серединам інтервалів Av, а, по осі ординат спектральную щільність інтенсивності випромінювання, ми матимемо ряд точок, якими можна навести плавну криву. Ця крива дає наочне уявлення розподілу енергії і видимої частини спектра електричної дуги.

Спектральні апарати. Для точного дослідження спектрів такі прості пристосування, як вузька щілину, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, дають чіткий спектр, т. е. прилади, добре що розділяють хвилі різної довжини і допускають перекриття окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарату є призма чи дифракционная решетка.

Розглянемо схему устрою призменного спектрального апарату. Досліджуване випромінювання надходить спочатку у частина приладу, звану коллиматором. Коліматор є трубу, з одного боку якої є ширма із вузькою щілиною, але в іншому — збирала лінза. Щілина перебуває в фокусном відстані від лінзи. Тому розходиться світловий пучок, потрапляє на лінзу з щілини, виходить із неї паралельним пучком і вихоплює призму.

Оскільки різним частотах відповідають різні показники заломлення, те з призми виходять паралельні пучки, не збіжні по напрямку. Вони падають на лінзу. На фокусном відстані цієї лінзи розташовується екран — матове скло или.

миска. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і тоді замість одного зображення щілини виходить низку зображень. Кожній частоті (вузькому спектральному інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом й творять спектр.

Описаний прилад називається спектрографом. Якщо замість другий лінзи і екрана використовується зорова труба для візуальним спостереженням спектрів, то прилад називається спектроскопом, описаним вище. Призми та інші деталі спектральних апаратів необов’язково виготовляються зі скла. Замість скла застосовуються і ті прозорі матеріали, як кварц, кам’яна сіль і др.

Види спектров.

Спектральний склад випромінювання речовин дуже різноманітний. Але, попри це, все спектри, як свідчить досвід, можна розділити на кілька типов:

Безперервні спектри. Сонячний спектр чи спектр дугового ліхтаря є безперервним. Це означає, що у спектрі представлені хвилі всіх довжин. У спектрі немає розривів, й спектрографа можна побачити суцільну строкату полосу.

Розподіл енергії за частотами, т. е. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання, щодо різноманітних тіл різна. Наприклад, тіло з дуже чорної поверхнею випромінює електромагнітні хвилі всіх частот, але крива залежності спектральною щільності інтенсивності випромінювання від частоти має максимум мрз певної частоті. Енергія випромінювання, яка припадає на дуже малі і дуже серйозні частоти, мізерно мала. При підвищенні температури максимум спектральною щільності випромінювання зміщується убік коротких волн.

Безперервні (чи суцільні) спектри, як свідчить досвід, дають тіла, перебувають у твердому чи рідкому стані, і навіть сильно стислі гази. Для отримання безперервного спектра потрібно нагріти тіло до високої температуры.

Характер безперервного спектра й самого факту його існування визначаються як властивостями окремих випромінюючих атомів, а й у сильної ступеня залежить від взаємодії атомів друг з другом.

Безперервний спектр дає також високотемпературна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою переважно у зіткненні електронів з ионами.

Линейчатые спектри. Занесемо в бліде полум’я газової пальники шматочок азбесту, змоченого розчином звичайної кухонної соли.

При спостереженні полум’я в спектроскоп і натомість ледь помітного безперервного спектра полум’я спалахне яскрава жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, утворювані при розщепленні молекул кухонної солі у полум'ї. Усі вони — це частокіл кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темными.

смугами. Такі спектри називаються линейчатыми. Наявність лінійного спектра означає, що речовина випромінює світ лише певних довжин хвиль (точніше, у певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна лінія має кінцеву ширину.

Линейчатые спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але з молекулярному) стані. І тут світло випромінюють атоми, які мало взаємодіють друг з одним. Це найбільш фундаментальний, основний тип спектров.

Ізольовані атоми випромінюють суворо визначені довжини хвиль. Зазвичай для спостереження линейчатых спектрів використовують світіння парів речовини в полум’я чи світіння газового розряду у трубці, наповненій досліджуваним газом.

При збільшенні щільності атомарної газу окремі спектральні лінії розширюються, і, нарешті, за дуже великому стискуванні газу, коли взаємодія атомів стає істотним, ці лінії перекривають друг друга, створюючи безперервний спектр.

Смугасті спектри. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. З допомогою хорошого спектрального апарату можно.

знайти, кожна смуга є сукупність значної частини дуже тісно розташованих ліній. На відміну від линейчатых спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, не пов’язаними чи слабко пов’язаними друг з другом.

Для спостереження молекулярних спектрів як і, як й у спостереження линейчатых спектрів, зазвичай використовують світіння парів у полум'ї чи світіння газового разряда.

Спектри поглинання. Усі речовини, атоми яких у порушену стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких належним чином розподілено по длинам хвиль. Поглиненна світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, відповідні червоному світу, і поглинає все остальные.

Якщо пропускати біле світло крізь холодний, неизлучающий газ, то, на тлі безперервного спектра джерела з’являються темні лінії. Газ поглинає найінтенсивніше світло саме тих довжин хвиль, що він випускає в сильно нагрітому стані. Темні лінії і натомість безперервного спектра — це лінії поглинання, що утворюють разом спектр поглощения.

Існують безперервні, линейчатые і смугасті спектри випромінювання та стільки ж видів спектрів поглощения.

Линейчатые спектри грають особливо значної ролі, що їх структура прямо пов’язана з будовою атома. Ці ж спектри створюються атомами, не котрі відчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись із линейчатыми спектрами, ми цим робимо перший крок вивченню будівлі атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені одержали можливість «зазирнути» всередину атома. Тут оптика впритул зтикається з атомної физикой.

Види спектральних анализов.

Головне властивість линейчатых спектрів у тому, що довжини хвиль (чи частоти) лінійного спектра будь-якого речовини залежать тільки від властивостей атомів цієї речовини, але зовсім не залежить від способу порушення світіння атомів. Атомы.

будь-якого хімічного елемента дають спектр, не схожий на спектри всіх інші елементи: вони можуть випромінювати строго-определенный набір довжин волн.

У цьому грунтується спектральний аналіз — метод визначення хімічного складу речовини з його спектру. Подібно відбиткам пальців люди линейчатые спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторність візерунків на шкірі пальця допомагає часто знайти злочинця. Так само завдяки індивідуальності спектрів имеется возможность визначити хімічний склад тіла. З допомогою спектрального аналізу можна знайти даний елемент у складі складного речовини. Це дуже чутливий метод. На тепер відомі такі види спектральних аналізів — атомний спектральний аналіз (АСА)(визначає елементний склад зразка по атомним (іонним) спектрам випущення і поглинання), емісійний АСА (по спектрам випущення атомів, іонів і молекул, возбуждённым різними джерелами електромагнітного випромінювання буде в діапазоні від g-випромінювання до мікрохвильового), атомно-абсорбционный СА (осуществляют по спектрам поглинання електромагнітного випромінювання анализируемыми об'єктами (атомами, молекулами, іонами речовини, що у різних агрегатних станах)), атомнофлуоресцентний СА, молекулярний спектральний аналіз (МСА) (молекулярний склад речовин по молекулярным спектрам поглинання, люмінесценції і комбинационного розсіювання світла.), якісний МСА (достаточно встановити наявність або відсутність аналітичних ліній визначених елементів. По яскравості ліній при візуальному перегляді можна дати грубу оцінку змісту тих чи інших елементів в пробі), кількісний МСА (осуществляют порівнянням інтенсивностей двох спектральних ліній в спектрі проби, одній із яких належить визначеного елементу, іншу (лінія порівняння) — основному елементу проби, концентрація якого відома, або спеціально запроваджуваному у відомій концентрації элементу).

У основі МСА лежить якісне і кількісне порівняння виміряного спектра досліджуваного зразка зі спектрами індивідуальних речовин. Відповідно розрізняють якісний і кількісний МСА. У МСА використовують різні види молекулярних спектрів, обертальні [спектри в мікрохвильової і довгохвильової інфрачервоної (ІК) областях], коливальні і колебательно-вращательные [спектри поглинання і випущення у неповній середній ІКобласті, спектри комбинационного розсіювання світла (ВРХ), спектри ІКфлуоресценции], електронні, электронно-колебательные і электронноколебательно-вращательные [спектри поглинання і пропускання в видимої і ультрафіолетової (СФ) областях, спектри флуоресценции]. МСА дозволяє проводити аналіз малих кількостей (деяких випадках частки мкг і менше) речовин, що у різних агрегатних состояниях.

Кількісний аналіз складу речовини з його спектру утруднений, так як яскравість спектральних ліній залежить тільки від маси речовини, а й від способу порушення світіння. Так, при низьких температурах багато спектральні лінії взагалі з’являються. Проте за дотриманні стандартних умов порушення світіння можна й кількісний спектральний анализ.

Найточнішим з вище перерахованих аналізів є атомно-абсорбционный СА. Методика проведення ААА проти ін. методами значно простіше, йому характерні висока точність визначення як малих, а й великих концентрацій елементів в пробах. ААА з успіхом заміняють трудоёмкие і тривалі хімічні методи аналізу, не поступаючись їм у точности.

Заключение

.

Нині визначено спектри всіх атомів і складено таблиці спектрів. З допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нових елементи: рубідій, цезій та інших. Елементам часто давали назви в відповідність до кольором найбільш інтенсивних ліній спектра. Рубідій дає темно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає «небесно-блакитний». Це колір основних ліній спектра цезия.

Саме з допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонця і зірок. Інші методи аналізу тут неможливі. Виявилося, що зірки складаються з тих самих хімічних елементів, що є і Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонце, і потім знайшли у атмосфері Землі. Назва цього елемента нагадує історію його відкриття: слово гелій означає в перекладі «солнечный».

Завдяки порівняльної простоті і універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомної індустрії. З допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд і минералов.

Склад складних, переважно органічних, сумішей аналізується по їх молекулярным спектрам.

Спектральний аналіз можна робити як по спектрам випущення, а й у спектрам поглинання. Саме лінії поглинання в спектрі Сонця і зірок дозволяють досліджувати хімічний склад цих небесних тіл. Яскраво світна поверхню Сонця — фотосфера — дає безперервний спектр. Сонячна атмосфера поглинає вибірково світло від фотосфери, що призводить до появи ліній поглинання і натомість безперервного спектра фотосферы.

Але й сама атмосфера Сонця випромінює світло. Під час сонячних затемнень, коли сонячний диск закритий Місяцем, відбувається звернення ліній спектра. На місці ліній поглинання в сонячному спектрі спалахують лінії излучения.

У астрофізиці під спектральним аналізом розуміють як визначення хімічного складу зірок, газових хмар тощо. буд., а й перебування по спектрам багатьох інших фізичних характеристик цих об'єктів: температури, тиску, швидкість руху, магнітної индукции.

Важливо знати, із чого складаються сусідні тіла. Винайдено багато способів визначення їхніх складу. Але склад зірок і галактик можна почути лише за допомогою спектрального анализа.

Експресні методи АСА широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, геології і багатьох ін. областях народного господарства та. Значну роль АСА грає у атомної техніці, виробництві чистих напівпровідникових матеріалів, надпровідників тощо. буд. Методами АСА виконується більш ¾ всіх аналізів в металургії. З допомогою квантометров проводять оперативний (протягом 2−3 хв) контроль під час плавки в мартенівському і конвертерном виробництвах. У геології і геологічної розвідці з оцінки родовищ виробляють близько 8 млн. аналізів на рік. АСА застосовується охорони довкілля та аналізу грунтів, в криміналістиці та медицині, геології морського дна і дослідженні складу верхніх верств атмосфери, при.

поділі ізотопів й визначенні віку і її складу геологічних і археологічних об'єктів тощо. д.

Отже, спектральний аналіз застосовується майже переважають у всіх найважливіших сферах людської діяльності. Отже, спектральний аналіз є однією з найважливіших аспектів розвитку лише наукового прогресу, а й самого рівень життя человека.

Заидель А. М., Основи спектрального аналізу, М., 1965, Методи спектрального аналізу, М, 1962; Чулановский У. М., Введення ЄІАС у молекулярний спектральний аналіз, М. — Л., 1951; Русанов А. До., Основи кількісного спектрального аналізу руд і мінералів. М., 1971.