Φασματική ανάλυση
Φασματική ανάλυση- ένα σύνολο μεθόδων για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της σύστασης ενός αντικειμένου, με βάση τη μελέτη των φασμάτων της αλληλεπίδρασης της ύλης με την ακτινοβολία, συμπεριλαμβανομένων των φασμάτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, των ακουστικών κυμάτων, της κατανομής μάζας και ενέργειας στοιχειωδών σωματιδίων, και τα λοιπά.
Ανάλογα με το σκοπό της ανάλυσης και τους τύπους των φασμάτων, υπάρχουν διάφορες μέθοδοι φασματικής ανάλυσης. Ατομικόςκαι μοριακόςΟι φασματικές αναλύσεις καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της στοιχειακής και μοριακής σύνθεσης μιας ουσίας, αντίστοιχα. Στις μεθόδους εκπομπής και απορρόφησης, η σύνθεση προσδιορίζεται από τα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης.
Η φασματομετρική ανάλυση μάζας πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τα φάσματα μάζας ατομικών ή μοριακών ιόντων και καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ισοτοπικής σύστασης ενός αντικειμένου.
Οι σκοτεινές γραμμές στις φασματικές λωρίδες παρατηρήθηκαν πολύ καιρό πριν, αλλά η πρώτη σοβαρή μελέτη αυτών των γραμμών έγινε μόλις το 1814 από τον Josef Fraunhofer. Το εφέ ονομάστηκε Fraunhofer Lines προς τιμήν του. Ο Fraunhofer καθόρισε τη σταθερότητα της θέσης των γραμμών, συνέταξε τον πίνακα τους (μέτρησε 574 γραμμές συνολικά), όρισε έναν αλφαριθμητικό κωδικό σε καθεμία. Όχι λιγότερο σημαντικό ήταν το συμπέρασμά του ότι οι γραμμές δεν συνδέονται ούτε με οπτικό υλικό ούτε ατμόσφαιρα της γης, αλλά είναι ένα φυσικό χαρακτηριστικό ηλιακό φως. Βρήκε παρόμοιες γραμμές σε τεχνητές πηγέςφως, καθώς και στα φάσματα της Αφροδίτης και του Σείριου.
Σύντομα έγινε σαφές ότι μια από τις πιο καθαρές γραμμές εμφανίζεται πάντα με την παρουσία νατρίου. Το 1859, οι G. Kirchhoff και R. Bunsen, μετά από μια σειρά πειραμάτων, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι κάθε χημικό στοιχείο έχει το δικό του μοναδικό φάσμα γραμμής και το φάσμα των ουράνιων σωμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη σύνθεση της ύλης τους. Από εκείνη τη στιγμή, η φασματική ανάλυση εμφανίστηκε στην επιστήμη, μια ισχυρή μέθοδος για τον απομακρυσμένο προσδιορισμό της χημικής σύνθεσης.
Για να δοκιμάσει τη μέθοδο το 1868, η Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού οργάνωσε μια αποστολή στην Ινδία, όπου ερχόταν μια ολική έκλειψη Ηλίου. Εκεί, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όλες οι σκοτεινές γραμμές τη στιγμή της έκλειψης, όταν το φάσμα εκπομπής άλλαξε το φάσμα απορρόφησης του ηλιακού στέμματος, έγιναν, όπως προβλεπόταν, φωτεινές σε σκοτεινό φόντο.
Η φύση καθεμιάς από τις γραμμές, η σύνδεσή τους με τα χημικά στοιχεία αποσαφηνίστηκαν σταδιακά. Το 1860, οι Kirchhoff και Bunsen, χρησιμοποιώντας φασματική ανάλυση, ανακάλυψαν το καίσιο και το 1861 το ρουβίδιο. Και το ήλιο ανακαλύφθηκε στον Ήλιο 27 χρόνια νωρίτερα από ό,τι στη Γη (1868 και 1895, αντίστοιχα).
Τα άτομα κάθε χημικού στοιχείου έχουν αυστηρά καθορισμένες συχνότητες συντονισμού, με αποτέλεσμα σε αυτές τις συχνότητες να εκπέμπουν ή να απορροφούν φως. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι στο φασματοσκόπιο, γραμμές (σκοτεινές ή φωτεινές) είναι ορατές στα φάσματα σε ορισμένα σημεία χαρακτηριστικά κάθε ουσίας. Η ένταση των γραμμών εξαρτάται από την ποσότητα της ύλης και την κατάστασή της. Στην ποσοτική φασματική ανάλυση, η περιεκτικότητα της ελεγχόμενης ουσίας προσδιορίζεται από τις σχετικές ή απόλυτες εντάσεις των γραμμών ή των ζωνών στα φάσματα.
Η οπτική φασματική ανάλυση χαρακτηρίζεται από σχετική ευκολία εφαρμογής, απουσία σύνθετης προετοιμασίας δειγμάτων για ανάλυση και μικρή ποσότητα ουσίας (10–30 mg) που απαιτείται για ανάλυση για μεγάλο αριθμό στοιχείων.
Τα ατομικά φάσματα (απορρόφησης ή εκπομπής) λαμβάνονται με τη μεταφορά μιας ουσίας σε κατάσταση ατμού με θέρμανση του δείγματος στους 1000-10000 °C. Ως πηγές διέγερσης των ατόμων στην ανάλυση εκπομπής αγώγιμων υλικών, χρησιμοποιούνται σπινθήρες, τόξο. εναλλασσόμενο ρεύμα; ενώ το δείγμα τοποθετείται στον κρατήρα ενός από τα ηλεκτρόδια άνθρακα. Οι φλόγες ή τα πλάσματα διαφόρων αερίων χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση διαλυμάτων.
ΣΤΟ πρόσφατους χρόνους, οι μέθοδοι εκπομπής και φασματομετρίας μάζας φασματικής ανάλυσης που βασίζονται στη διέγερση των ατόμων και τον ιονισμό τους στο πλάσμα αργού των επαγωγικών εκκενώσεων, καθώς και σε σπινθήρα λέιζερ, χρησιμοποιούνται ευρέως.
Η φασματική ανάλυση είναι μια ευαίσθητη μέθοδος και χρησιμοποιείται ευρέως σε αναλυτική Χημεία, αστροφυσική, μεταλλουργία, μηχανολογία, γεωλογική εξερεύνηση και άλλους κλάδους της επιστήμης.
Στη θεωρία επεξεργασίας σήματος, η φασματική ανάλυση σημαίνει επίσης την ανάλυση της κατανομής της ενέργειας ενός σήματος (για παράδειγμα, ήχου) σε συχνότητες, αριθμούς κυμάτων κ.λπ.
Ίδρυμα Wikimedia. 2010 .
ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ- σωματική. ποιοτικές μεθόδους. .και ποσότητες. προσδιορισμός της σύνθεσης σε wa με βάση την απόκτηση και μελέτη των φασμάτων της. βάση του Σ. και. φασματοσκοπία ατόμων και μορίων, ταξινομείται ανάλογα με το σκοπό της ανάλυσης και τους τύπους των φασμάτων. Atomic S. a. (ACA) καθορίζει ...... Φυσική Εγκυκλοπαίδεια
Φασματική ανάλυση- Μέτρηση της σύστασης μιας ουσίας με βάση τη μελέτη των φασμάτων της Πηγή ... Λεξικό-βιβλίο αναφοράς όρων κανονιστικής και τεχνικής τεκμηρίωσης
Φασματική ανάλυση- βλέπε Φασματοσκοπία. Γεωλογικό λεξικό: σε 2 τόμους. Μ.: Νέδρα. Επιμέλεια K. N. Paffengolts et al. 1978. Φασματική ανάλυση ... Γεωλογική Εγκυκλοπαίδεια
ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ- Εισήχθη από τους Bunsen και Kirchhoff το 1860, η χημική μελέτη μιας ουσίας μέσω των χρωματικών γραμμών που είναι χαρακτηριστικές αυτής της τελευταίας, οι οποίες φαίνονται όταν παρατηρούνται (κατά την εξάτμιση) μέσα από ένα πρίσμα. Επεξήγηση 25000 ξένες λέξεις … Λεξικό ξένων λέξεων της ρωσικής γλώσσας
ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ- ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, μια από τις μεθόδους ανάλυσης, στην οποία χρησιμοποιούνται φάσματα (βλ. Φασματοσκοπία, φασματοσκόπιο) που δίνουν ορισμένα σώματα όταν θερμαίνονται! ή όταν οι ακτίνες διέρχονται από διαλύματα, δίνοντας ένα συνεχές φάσμα. Για… … Μεγάλη Ιατρική Εγκυκλοπαίδεια
ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ- μια φυσική μέθοδος για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της σύστασης μιας ουσίας, που πραγματοποιείται από τα οπτικά της φάσματα. Υπάρχουν ατομική και μοριακή φασματική ανάλυση, εκπομπή (κατά φάσματα εκπομπής) και απορρόφηση (κατά φάσματα ... ... Μεγάλο Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό
Φασματική ανάλυση- μια μαθηματική και στατιστική μέθοδος για την ανάλυση χρονοσειρών, στην οποία μια σειρά θεωρείται ως ένα σύνθετο σύνολο, ένα μείγμα αρμονικών ταλαντώσεων που υπερτίθενται μεταξύ τους. Η εστίαση είναι στη συχνότητα... Οικονομικό και Μαθηματικό Λεξικό
ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ- σωματική. μέθοδοι ποιοτικού και ποσοτικού προσδιορισμού του χημικού. σύνθεση οποιωνδήποτε ουσιών με βάση τη λήψη και τη μελέτη του οπτικού τους φάσματος. Ανάλογα με τη φύση των φασμάτων που χρησιμοποιούνται, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι: εκπομπές (εκπομπή C ... Μεγάλη Πολυτεχνική Εγκυκλοπαίδεια
Φασματική ανάλυση- I Η φασματική ανάλυση είναι μια φυσική μέθοδος για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της ατομικής και μοριακής σύστασης μιας ουσίας, που βασίζεται στη μελέτη των φασμάτων της. Φυσική βάσηΑΝΩΝΥΜΗ ΕΤΑΙΡΙΑ. Φασματοσκοπία ατόμων και μορίων, της ... ... Μεγάλη Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια
Φασματική ανάλυση- Το περιεχόμενο του άρθρου. Ι. Λάμψη σωμάτων. Φάσμα εκπομπής. ηλιακό φάσμα. Γραμμές Fraunhofer. Πρισματικά και φάσματα περίθλασης. Χρωματική σκέδαση πρίσματος και τρίψιμο. II. Φασματοσκόπια. Στροφοσκόπιο με στροφαλοφόρο και άμεσο φασματοσκόπιο με κατεύθυνση όρασης.…… Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό F.A. Brockhaus και I.A. Έφρον
Η φασματική ανάλυση χωρίζεται σε διάφορες ανεξάρτητες μεθόδους. Μεταξύ αυτών είναι: φασματοσκοπία υπερύθρου και υπεριώδους, ατομική απορρόφηση, ανάλυση φωταύγειας και φθορισμού, φασματοσκοπία ανάκλασης και Raman, φασματοφωτομετρία, φασματοσκοπία ακτίνων Χ και μια σειρά από άλλες μεθόδους.
Η φασματική ανάλυση απορρόφησης βασίζεται στη μελέτη των φασμάτων απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η φασματική ανάλυση εκπομπής πραγματοποιείται σύμφωνα με τα φάσματα εκπομπής ατόμων, μορίων ή ιόντων που διεγείρονται διαφορετικοί τρόποι.
Η φασματική ανάλυση ονομάζεται συχνά φασματική ανάλυση μόνο ατομικής εκπομπής, η οποία βασίζεται στη μελέτη των φασμάτων εκπομπής ελεύθερων ατόμων και ιόντων στην αέρια φάση. Εκτελείται στην περιοχή μήκους κύματος 150-800 nm. Ένα δείγμα της υπό δοκιμή ουσίας εισάγεται στην πηγή ακτινοβολίας, μετά την οποία συμβαίνει εξάτμιση και διάσταση μορίων σε αυτήν, καθώς και διέγερση των σχηματισμένων ιόντων. Εκπέμπουν ακτινοβολία, η οποία καταγράφεται από τη συσκευή καταγραφής της φασματικής συσκευής.
Τα φάσματα των δειγμάτων συγκρίνονται με τα φάσματα γνωστών στοιχείων, τα οποία βρίσκονται στους αντίστοιχους πίνακες φασματικών γραμμών. Έτσι είναι γνωστή η σύνθεση της αναλυόμενης ουσίας. Η ποσοτική ανάλυση αναφέρεται στη συγκέντρωση ενός δεδομένου στοιχείου στην αναλυόμενη ουσία. Αναγνωρίζεται από το μέγεθος του σήματος, για παράδειγμα, από το βαθμό μαυρίσματος ή την οπτική πυκνότητα των γραμμών σε μια φωτογραφική πλάκα, από την ένταση της φωτεινής ροής σε έναν φωτοηλεκτρικό δέκτη.
Ένα συνεχές φάσμα ακτινοβολίας δίνεται από ουσίες που βρίσκονται σε στερεή ή υγρή κατάσταση, καθώς και από πυκνά αέρια. Δεν υπάρχουν κενά σε ένα τέτοιο φάσμα, περιέχει κύματα όλων των μηκών κύματος. Ο χαρακτήρας του εξαρτάται όχι μόνο από τις ιδιότητες μεμονωμένων ατόμων, αλλά και από την αλληλεπίδρασή τους μεταξύ τους.
Το φάσμα εκπομπής γραμμής είναι χαρακτηριστικό των ουσιών σε αέρια κατάσταση, ενώ τα άτομα σχεδόν δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Το γεγονός είναι ότι μεμονωμένα άτομα ενός χημικού στοιχείου εκπέμπουν κύματα αυστηρά καθορισμένου μήκους κύματος.
Καθώς η πυκνότητα του αερίου αυξάνεται, οι φασματικές γραμμές αρχίζουν να επεκτείνονται. Για να παρατηρηθεί ένα τέτοιο φάσμα, χρησιμοποιείται η λάμψη μιας εκκένωσης αερίου σε ένα σωλήνα ή ο ατμός μιας ουσίας σε μια φλόγα. Εάν το λευκό φως περάσει από ένα αέριο που δεν εκπέμπει, θα εμφανιστούν σκοτεινές γραμμές του φάσματος απορρόφησης στο φόντο του συνεχούς φάσματος της πηγής. Το αέριο απορροφά εντατικά το φως των μηκών κύματος που εκπέμπει όταν θερμαίνεται.
Υπουργείο Παιδείας και Επιστημών
Δημοκρατία του Καζακστάν
Καραγκάντα Κρατικό Πανεπιστήμιο
με το όνομα Ε.Α. Μπουκετόβα
Σχολή Φυσικής
Τμήμα Οπτικής και Φασματοσκοπίας
Εργασία μαθήματος
σχετικά με το θέμα:
Φάσματα. Με φασματική ανάλυση και εφαρμογή της.
Προετοιμάστηκε από:
μαθητής της ομάδας FTRF-22
Αχτάριεφ Ντμίτρι.
Τετραγωνισμένος:
δάσκαλος
Kusenova Asiya Sabirgalievna
Karaganda - 2003 Σχέδιο
Εισαγωγή
1. Ενέργεια στο φάσμα
2. Τύποι φασμάτων
3. Φασματική ανάλυση και εφαρμογή της
4. Φασματικές συσκευές
5. Φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας
συμπέρασμα
Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας
Εισαγωγή
Η μελέτη του φάσματος γραμμής μιας ουσίας σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε από ποια χημικά στοιχεία αποτελείται και πόσο περιέχεται κάθε στοιχείο σε μια δεδομένη ουσία.
Η ποσοτική περιεκτικότητα του στοιχείου στο υπό μελέτη δείγμα προσδιορίζεται συγκρίνοντας την ένταση μεμονωμένων γραμμών του φάσματος αυτού του στοιχείου με την ένταση των γραμμών ενός άλλου χημικού στοιχείου, του οποίου η ποσοτική περιεκτικότητα στο δείγμα είναι γνωστή.
Η μέθοδος προσδιορισμού της ποιοτικής και ποσοτικής σύστασης μιας ουσίας από το φάσμα της ονομάζεται φασματική ανάλυση. Η φασματική ανάλυση χρησιμοποιείται ευρέως στην εξερεύνηση ορυκτών για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης των δειγμάτων μεταλλεύματος. Στη βιομηχανία, η φασματική ανάλυση καθιστά δυνατό τον έλεγχο των συνθέσεων των κραμάτων και των ακαθαρσιών που εισάγονται στα μέταλλα για τη λήψη υλικών με τις επιθυμητές ιδιότητες.
Τα πλεονεκτήματα της φασματικής ανάλυσης είναι η υψηλή ευαισθησία και τα γρήγορα αποτελέσματα. Χρησιμοποιώντας φασματική ανάλυση, είναι δυνατό να ανιχνευθεί η παρουσία χρυσού σε δείγμα βάρους 6 * 10 -7 g, ενώ η μάζα του είναι μόνο 10 -8 g. Ο προσδιορισμός της ποιότητας του χάλυβα με φασματική ανάλυση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε αρκετές δεκάδες δευτερόλεπτα .
Η φασματική ανάλυση καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης των ουράνιων σωμάτων που απέχουν δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Η χημική σύσταση της ατμόσφαιρας των πλανητών και των αστεριών, το κρύο αέριο στο διαστρικό διάστημα καθορίζεται από τα φάσματα απορρόφησης.
Μελετώντας τα φάσματα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να προσδιορίσουν όχι μόνο τη χημική σύνθεση των ουράνιων σωμάτων, αλλά και τη θερμοκρασία τους. Η μετατόπιση των φασματικών γραμμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ταχύτητας ενός ουράνιου σώματος.
Ενέργεια στο φάσμα.
Η πηγή φωτός πρέπει να καταναλώνει ενέργεια. Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μήκος κύματος 4 * 10 -7 - 8 * 10 -7 μ. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εκπέμπονται κατά την επιταχυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων. Αυτά τα φορτισμένα σωματίδια είναι μέρος των ατόμων. Αλλά, χωρίς να γνωρίζουμε πώς είναι διατεταγμένο το άτομο, τίποτα αξιόπιστο δεν μπορεί να ειπωθεί για τον μηχανισμό της ακτινοβολίας. Είναι σαφές μόνο ότι δεν υπάρχει φως μέσα σε ένα άτομο, όπως δεν υπάρχει ήχος σε μια χορδή πιάνου. Όπως μια χορδή που αρχίζει να ηχεί μόνο μετά από ένα σφυρί, τα άτομα γεννούν φως μόνο αφού διεγερθούν.
Για να ακτινοβολήσει ένα άτομο χρειάζεται να μεταφέρει ενέργεια. Με την ακτινοβολία, ένα άτομο χάνει την ενέργεια που έχει λάβει και για τη συνεχή λάμψη μιας ουσίας είναι απαραίτητη μια εισροή ενέργειας στα άτομά της από το εξωτερικό.
Θερμική ακτινοβολία.Ο απλούστερος και πιο συνηθισμένος τύπος ακτινοβολίας είναι η θερμική ακτινοβολία, στην οποία οι απώλειες ενέργειας των ατόμων για την εκπομπή φωτός αντισταθμίζονται με ενέργεια θερμική κίνησηάτομα ή (μόρια) του σώματος που ακτινοβολεί. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο πιο γρήγορα κινούνται τα άτομα. Όταν τα γρήγορα άτομα (μόρια) συγκρούονται μεταξύ τους, μέρος της κινητικής τους ενέργειας μετατρέπεται σε ενέργεια διέγερσης ατόμων, τα οποία στη συνέχεια εκπέμπουν φως.
Η πηγή θερμότητας της ακτινοβολίας είναι ο Ήλιος, καθώς και ένας συνηθισμένος λαμπτήρας πυρακτώσεως. Η λάμπα είναι μια πολύ βολική, αλλά αντιοικονομική πηγή. Μόνο περίπου το 12% της συνολικής ενέργειας που απελευθερώνεται στη λάμπα ηλεκτροπληξία, μετατρέπεται σε φωτεινή ενέργεια. Η πηγή θερμότητας του φωτός είναι η φλόγα. Οι κόκκοι αιθάλης θερμαίνονται από την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την καύση του καυσίμου και εκπέμπουν φως.
Ηλεκτροφωταύγεια.Η ενέργεια που χρειάζονται τα άτομα για να εκπέμπουν φως μπορεί επίσης να δανειστεί από μη θερμικές πηγές. Κατά την εκκένωση σε αέρια ηλεκτρικό πεδίοπροσδίδει περισσότερη κινητική ενέργεια στα ηλεκτρόνια. Τα γρήγορα ηλεκτρόνια βιώνουν συγκρούσεις με άτομα. Μέρος της κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων πηγαίνει στη διέγερση των ατόμων. Τα διεγερμένα άτομα εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή κυμάτων φωτός. Λόγω αυτού, η εκκένωση στο αέριο συνοδεύεται από μια λάμψη. Αυτή είναι η ηλεκτροφωταύγεια.
καθοδοφωταύγεια.Η λάμψη των στερεών που προκαλείται από τον βομβαρδισμό τους με ηλεκτρόνια ονομάζεται καθοδοφωταύγεια. Η καθοδοφωταύγεια κάνει τις οθόνες των καθοδικών λυχνιών στις τηλεοράσεις να λάμπουν.
Χημειοφωταύγεια.Για ορισμένες χημικές αντιδράσεις, ακολουθώντας την απελευθέρωση ενέργειας, μέρος αυτής της ενέργειας δαπανάται άμεσα για την εκπομπή φωτός. Η πηγή φωτός παραμένει κρύα (έχει θερμοκρασία περιβάλλον). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται χημειοφωταύγεια.
Φωτοφωταύγεια.Το φως που πέφτει σε μια ουσία εν μέρει ανακλάται και εν μέρει απορροφάται. Η ενέργεια του απορροφούμενου φωτός στις περισσότερες περιπτώσεις προκαλεί μόνο θέρμανση των σωμάτων. Ωστόσο, ορισμένα σώματα αρχίζουν να λάμπουν απευθείας κάτω από τη δράση της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό. Αυτή είναι η φωτοφωταύγεια. Το φως διεγείρει τα άτομα της ύλης (αυξάνει την εσωτερική τους ενέργεια), μετά από την οποία επισημαίνονται από μόνα τους. Για παράδειγμα, τα φωτεινά χρώματα, που καλύπτουν πολλά χριστουγεννιάτικα στολίδια, εκπέμπουν φως αφού ακτινοβοληθούν.
Το φως που εκπέμπεται κατά τη φωτοφωταύγεια έχει, κατά κανόνα, μεγαλύτερο μήκος κύματος από το φως που διεγείρει τη λάμψη. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί πειραματικά. Εάν μια δέσμη φωτός που περνά από ένα φίλτρο ιώδους φωτός κατευθύνεται σε ένα δοχείο με φθοροσκείτη (οργανική χρωστική), τότε αυτό το υγρό αρχίζει να ανάβει πράσινο-κίτρινο φως, δηλαδή φως μεγαλύτερου μήκους κύματος από αυτό του ιώδους φωτός.
Το φαινόμενο της φωτοφωταύγειας χρησιμοποιείται ευρέως σε λαμπτήρες φθορισμού. Ο σοβιετικός φυσικός S. I. Vavilov πρότεινε να καλύψει εσωτερική επιφάνειασωλήνας εκκένωσης με ουσίες ικανές να λάμπουν έντονα υπό τη δράση της ακτινοβολίας βραχέων κυμάτων μιας εκκένωσης αερίου. Οι λαμπτήρες φθορισμού είναι περίπου τρεις έως τέσσερις φορές πιο οικονομικοί από τους συμβατικούς λαμπτήρες πυρακτώσεως.
Παρατίθενται οι κύριοι τύποι ακτινοβολίας και οι πηγές που τις δημιουργούν. Οι πιο κοινές πηγές ακτινοβολίας είναι η θερμική.
Κατανομή ενέργειας στο φάσμα.Καμία από τις πηγές δεν δίνει μονοχρωματικό φως, δηλαδή φως αυστηρά καθορισμένου μήκους κύματος. Είμαστε πεπεισμένοι για αυτό με πειράματα σχετικά με την αποσύνθεση του φωτός σε φάσμα με τη βοήθεια ενός πρίσματος, καθώς και από πειράματα σχετικά με την παρεμβολή και τη διάθλαση.
Η ενέργεια που μεταφέρει το φως από την πηγή κατανέμεται με έναν ορισμένο τρόπο στα κύματα όλων των μηκών κύματος που συνθέτουν τη φωτεινή δέσμη. Μπορούμε επίσης να πούμε ότι η ενέργεια κατανέμεται στις συχνότητες, αφού υπάρχει μια απλή σχέση μεταξύ μήκους κύματος και συχνότητας: ђv = c.
Η πυκνότητα ροής της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ή η ένταση /, καθορίζεται από την ενέργεια &W που αποδίδεται σε όλες τις συχνότητες. Για να χαρακτηριστεί η κατανομή της ακτινοβολίας στις συχνότητες, είναι απαραίτητο να εισαχθεί μια νέα τιμή: η ένταση ανά μονάδα διαστήματος συχνότητας. Αυτή η τιμή ονομάζεται φασματική πυκνότητα της έντασης της ακτινοβολίας.
Η φασματική πυκνότητα της ροής ακτινοβολίας μπορεί να βρεθεί πειραματικά. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να ληφθεί ένα φάσμα ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα, για παράδειγμα, ηλεκτρικό τόξο, και μετρήστε την πυκνότητα ροής ακτινοβολίας ανά μικρά φασματικά διαστήματα πλάτους Av.
Δεν μπορείτε να βασιστείτε στο μάτι κατά την εκτίμηση της κατανομής της ενέργειας. Το μάτι έχει εκλεκτική ευαισθησία στο φως: το μέγιστο της ευαισθησίας του βρίσκεται στην κιτρινοπράσινη περιοχή του φάσματος. Είναι καλύτερο να εκμεταλλευτείτε την ιδιότητα ενός μαύρου σώματος να απορροφά σχεδόν πλήρως το φως όλων των μηκών κύματος. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια της ακτινοβολίας (δηλαδή του φωτός) προκαλεί θέρμανση του σώματος. Επομένως, αρκεί να μετρήσουμε τη θερμοκρασία του σώματος και να τη χρησιμοποιήσουμε για να κρίνουμε την ποσότητα ενέργειας που απορροφάται ανά μονάδα χρόνου.
Ένα συνηθισμένο θερμόμετρο είναι πολύ ευαίσθητο για να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε τέτοια πειράματα. Απαιτούνται πιο ευαίσθητα όργανα μέτρησης θερμοκρασίας. Μπορείτε να πάρετε ένα ηλεκτρικό θερμόμετρο, στο οποίο το ευαίσθητο στοιχείο είναι κατασκευασμένο με τη μορφή λεπτής μεταλλικής πλάκας. Αυτή η πλάκα πρέπει να καλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα αιθάλης, το οποίο απορροφά σχεδόν πλήρως το φως οποιουδήποτε μήκους κύματος.
Η θερμοευαίσθητη πλάκα του οργάνου πρέπει να τοποθετείται σε ένα ή άλλο σημείο του φάσματος. Ολόκληρο το ορατό φάσμα μήκους l από τις κόκκινες ακτίνες έως το ιώδες αντιστοιχεί στο διάστημα συχνοτήτων από v kr έως y f. Το πλάτος αντιστοιχεί σε ένα μικρό διάστημα Av. Με τη θέρμανση της μαύρης πλάκας της συσκευής, μπορεί κανείς να κρίνει την πυκνότητα της ροής ακτινοβολίας ανά διάστημα συχνότητας Av. Μετακινώντας την πλάκα κατά μήκος του φάσματος, διαπιστώνουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας βρίσκεται στο κόκκινο μέρος του φάσματος, και όχι στο κιτρινοπράσινο, όπως φαίνεται στο μάτι.
Με βάση τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων, είναι δυνατή η γραφική παράσταση της εξάρτησης της φασματικής πυκνότητας της έντασης της ακτινοβολίας από τη συχνότητα. Η φασματική πυκνότητα της έντασης της ακτινοβολίας καθορίζεται από τη θερμοκρασία της πλάκας και η συχνότητα δεν είναι δύσκολο να βρεθεί εάν η συσκευή που χρησιμοποιείται για την αποσύνθεση του φωτός είναι βαθμονομημένη, δηλ. εάν είναι γνωστό σε ποια συχνότητα αντιστοιχεί το δεδομένο τμήμα του φάσματος προς την.
Σχεδιάζοντας κατά μήκος του άξονα της τετμημένης τις τιμές των συχνοτήτων που αντιστοιχούν στα μέσα των διαστημάτων Av και κατά μήκος του άξονα τεταγμένων τη φασματική πυκνότητα της έντασης της ακτινοβολίας, λαμβάνουμε μια σειρά σημείων μέσω των οποίων μπορεί να σχεδιαστεί μια ομαλή καμπύλη. Αυτή η καμπύλη δίνει μια οπτική αναπαράσταση της κατανομής της ενέργειας και του ορατού τμήματος του φάσματος ενός ηλεκτρικού τόξου.
Τύποι φασμάτων.
Η φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας διαφόρων ουσιών είναι πολύ διαφορετική. Όμως, παρόλα αυτά, όλα τα φάσματα, όπως δείχνει η εμπειρία, μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους που είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους.
Συνεχή φάσματα.
Το ηλιακό φάσμα ή το φάσμα φωτός τόξου είναι συνεχές. Αυτό σημαίνει ότι όλα τα μήκη κύματος αντιπροσωπεύονται στο φάσμα. Δεν υπάρχουν ασυνέχειες στο φάσμα και μια συνεχής πολύχρωμη ζώνη μπορεί να φανεί στην οθόνη του φασματογράφου.
Η κατανομή συχνότητας της ενέργειας, δηλαδή η φασματική πυκνότητα της έντασης της ακτινοβολίας, είναι διαφορετική για διαφορετικά σώματα. Για παράδειγμα, ένα σώμα με πολύ μαύρη επιφάνεια εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα όλων των συχνοτήτων, αλλά η καμπύλη εξάρτησης της φασματικής πυκνότητας της έντασης της ακτινοβολίας από τη συχνότητα έχει μέγιστο σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Η ενέργεια ακτινοβολίας που αποδίδεται σε πολύ μικρές και πολύ υψηλές συχνότητες είναι αμελητέα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η μέγιστη φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας μετατοπίζεται προς σύντομα κύματα.
Τα συνεχή (ή συνεχή) φάσματα, όπως δείχνει η εμπειρία, δίνουν σώματα σε στερεή ή υγρή κατάσταση, καθώς και εξαιρετικά συμπιεσμένα αέρια. Για να αποκτήσετε ένα συνεχές φάσμα, πρέπει να θερμάνετε το σώμα σε υψηλή θερμοκρασία.
Η φύση του συνεχούς φάσματος και το ίδιο το γεγονός της ύπαρξής του καθορίζονται όχι μόνο από τις ιδιότητες των μεμονωμένων ατόμων που ακτινοβολούν, αλλά εξαρτώνται επίσης σε μεγάλο βαθμό από την αλληλεπίδραση των ατόμων μεταξύ τους.
Ένα συνεχές φάσμα παράγεται επίσης από πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εκπέμπονται από το πλάσμα κυρίως όταν τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με ιόντα.
Φάσματα γραμμής.
Ας βάλουμε στη χλωμή φλόγα καυστήρας αερίουένα κομμάτι αμιάντου εμποτισμένο σε διάλυμα συνηθισμένου επιτραπέζιο αλάτι. Κατά την παρατήρηση μιας φλόγας μέσω ενός φασματοσκοπίου, μια φωτεινή κίτρινη γραμμή αναβοσβήνει στο φόντο ενός μετά βίας διακριτού συνεχούς φάσματος της φλόγας. Αυτή η κίτρινη γραμμή δίνεται από τον ατμό νατρίου, ο οποίος σχηματίζεται κατά τη διάσπαση των μορίων του χλωριούχου νατρίου σε μια φλόγα. Στο φασματοσκόπιο, μπορεί κανείς επίσης να δει μια περίφραξη από έγχρωμες γραμμές ποικίλης φωτεινότητας, που χωρίζονται από μεγάλες σκούρες ζώνες. Τέτοια φάσματα ονομάζονται κυβερνούσε. Η παρουσία ενός φάσματος γραμμής σημαίνει ότι η ουσία εκπέμπει φως μόνο ορισμένων μηκών κύματος (ακριβέστερα, σε ορισμένα πολύ στενά φασματικά διαστήματα). Κάθε μία από τις γραμμές έχει ένα πεπερασμένο πλάτος.
Τα φάσματα γραμμής δίνουν όλες τις ουσίες στο αέριο ατομικό (αλλά όχι μοριακά κατάσταση.Σε αυτή την περίπτωση, το φως εκπέμπεται από άτομα που πρακτικά δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτός είναι ο πιο θεμελιώδης, βασικός τύπος φασμάτων.
Μεμονωμένα άτομα ενός δεδομένου χημικού στοιχείου εκπέμπουν αυστηρά καθορισμένα μήκη κύματος.
Συνήθως, τα φάσματα γραμμής παρατηρούνται χρησιμοποιώντας τη λάμψη των ατμών μιας ουσίας σε φλόγα ή τη λάμψη μιας εκκένωσης αερίου σε ένα σωλήνα γεμάτο με το υπό μελέτη αέριο.
Με την αύξηση της πυκνότητας ενός ατομικού αερίου, μεμονωμένες φασματικές γραμμές διαστέλλονται και, τέλος, σε πολύ υψηλή πυκνότητα αερίου, όταν η αλληλεπίδραση των ατόμων γίνεται σημαντική, αυτές οι γραμμές επικαλύπτονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα συνεχές φάσμα.
Ριγέ φάσματα.
Το ριγέ φάσμα αποτελείται από μεμονωμένες ζώνες που χωρίζονται από σκοτεινά κενά. Με τη βοήθεια μιας πολύ καλής φασματικής συσκευής, μπορεί να διαπιστωθεί ότι κάθε ζώνη είναι μια συλλογή από μεγάλο αριθμό γραμμών σε πολύ κοντινή απόσταση. Σε αντίθεση με τα φάσματα γραμμής, τα ριγέ φάσματα παράγονται όχι από άτομα, αλλά από μόρια που δεν είναι συνδεδεμένα ή ασθενώς συνδεδεμένα μεταξύ τους.
Για την παρατήρηση μοριακών φασμάτων, καθώς και για την παρατήρηση φασμάτων γραμμής, συνήθως χρησιμοποιεί κανείς τη λάμψη των ατμών σε μια φλόγα ή τη λάμψη μιας εκκένωσης αερίου.
Φάσματα απορρόφησης.
Όλες οι ουσίες των οποίων τα άτομα βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση εκπέμπουν κύματα φωτός, η ενέργεια των οποίων κατανέμεται με συγκεκριμένο τρόπο στα μήκη κύματος. Η απορρόφηση του φωτός από μια ουσία εξαρτάται επίσης από το μήκος κύματος. Έτσι, το κόκκινο γυαλί μεταδίδει κύματα που αντιστοιχούν στο κόκκινο φως (l»8 10 -5 cm), και απορροφά όλα τα υπόλοιπα.
Εάν το λευκό φως διέρχεται από ένα ψυχρό αέριο που δεν ακτινοβολεί, τότε εμφανίζονται σκοτεινές γραμμές στο φόντο του συνεχούς φάσματος της πηγής. Το αέριο απορροφά εντονότερα το φως ακριβώς εκείνων των μηκών κύματος που εκπέμπει όταν είναι πολύ ζεστό. Οι σκοτεινές γραμμές στο φόντο του συνεχούς φάσματος είναι οι γραμμές απορρόφησης, οι οποίες μαζί σχηματίζουν το φάσμα απορρόφησης.
Υπάρχουν συνεχόμενα, γραμμικά και ριγέ φάσματα εκπομπής και ο ίδιος αριθμός φασμάτων απορρόφησης.
Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε από τι αποτελούνται τα σώματα γύρω μας. Πολλές μέθοδοι έχουν επινοηθεί για τον προσδιορισμό της σύνθεσής τους. Αλλά η σύνθεση των αστεριών και των γαλαξιών μπορεί να γίνει γνωστή μόνο με τη βοήθεια φασματικής ανάλυσης.
Φασματική ανάλυση και εφαρμογή της
Τα φάσματα γραμμών παίζουν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο γιατί η δομή τους σχετίζεται άμεσα με τη δομή του ατόμου. Εξάλλου, αυτά τα φάσματα δημιουργούνται από άτομα που δεν βιώνουν εξωτερικές επιρροές. Επομένως, γνωρίζοντας τα φάσματα γραμμής, κάνουμε το πρώτο βήμα προς τη μελέτη της δομής των ατόμων. Παρατηρώντας αυτά τα φάσματα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να «κοιτάξουν» μέσα στο άτομο. Εδώ, η οπτική έρχεται σε στενή επαφή με την ατομική φυσική.
Η κύρια ιδιότητα των φασμάτων γραμμής είναι αυτή τα μήκη κύματος (ή οι συχνότητες) του φάσματος γραμμής μιας ουσίας εξαρτώνται μόνο από τις ιδιότητες των ατόμων αυτής της ουσίας, αλλά είναι εντελώς ανεξάρτητα από τη μέθοδο διέγερσης της φωταύγειας των ατόμων. Τα άτομα οποιουδήποτε χημικού στοιχείου εκπέμπουν ένα φάσμα σε αντίθεση με τα φάσματα όλων των άλλων στοιχείων: είναι ικανά να εκπέμπουν ένα αυστηρά καθορισμένο σύνολο μηκών κύματος.
Βασισμένο σε αυτό φασματικός ανάλυση- μέθοδος προσδιορισμού της χημικής σύστασης μιας ουσίας από το φάσμα της. Όπως τα ανθρώπινα δακτυλικά αποτυπώματα, τα φάσματα γραμμών έχουν μια μοναδική προσωπικότητα. Η μοναδικότητα των σχεδίων στο δέρμα του δακτύλου συχνά βοηθά στην εύρεση του εγκληματία. Με τον ίδιο τρόπο, λόγω της ατομικότητας των φασμάτων, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της χημικής σύστασης του σώματος. Με τη βοήθεια της φασματικής ανάλυσης, είναι δυνατό να ανιχνευθεί αυτό το στοιχείο στη σύνθεση μιας σύνθετης ουσίας, ακόμη και αν η μάζα του δεν υπερβαίνει το 10 -10. Αυτή είναι μια πολύ ευαίσθητη μέθοδος.
Μια ποσοτική ανάλυση της σύστασης μιας ουσίας από το φάσμα της είναι δύσκολη, καθώς η φωτεινότητα των φασματικών γραμμών εξαρτάται όχι μόνο από τη μάζα της ουσίας, αλλά και από τη μέθοδο διέγερσης της λάμψης. Έτσι, σε χαμηλές θερμοκρασίες, πολλές φασματικές γραμμές δεν εμφανίζονται καθόλου. Ωστόσο, υπό τυπικές συνθήκες για τη διέγερση της φωταύγειας, μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί ποσοτική φασματική ανάλυση.
Προς το παρόν, τα φάσματα όλων των ατόμων έχουν προσδιοριστεί και έχουν συνταχθεί πίνακες φασμάτων. Με τη βοήθεια της φασματικής ανάλυσης, ανακαλύφθηκαν πολλά νέα στοιχεία: ρουβίδιο, καίσιο, κ.λπ. Συχνά ονομάζονταν στοιχεία ανάλογα με το χρώμα των πιο έντονων γραμμών του φάσματος. Το ρουβίδιο δίνει σκούρες κόκκινες, ρουμπινί γραμμές. Η λέξη καίσιο σημαίνει «γαλάζιο του ουρανού». Αυτό είναι το χρώμα των κύριων γραμμών του φάσματος του καισίου.
Ήταν με τη βοήθεια της φασματικής ανάλυσης που έμαθαν τη χημική σύσταση του Ήλιου και των άστρων. Άλλες μέθοδοι ανάλυσης είναι γενικά αδύνατες εδώ. Αποδείχθηκε ότι τα αστέρια αποτελούνται από τα ίδια χημικά στοιχεία που βρίσκονται στη Γη. Είναι περίεργο ότι το ήλιο ανακαλύφθηκε αρχικά στον Ήλιο και μόνο τότε βρέθηκε στην ατμόσφαιρα της Γης. Το όνομα αυτού του στοιχείου θυμίζει την ιστορία της ανακάλυψής του: η λέξη ήλιοσημαίνει "ηλιόλουστο".
Λόγω της σχετικής απλότητας και ευελιξίας της, η φασματική ανάλυση είναι η κύρια μέθοδος για την παρακολούθηση της σύνθεσης μιας ουσίας στη μεταλλουργία, τη μηχανολογία και την πυρηνική βιομηχανία. Με τη βοήθεια της φασματικής ανάλυσης προσδιορίζεται η χημική σύσταση μεταλλευμάτων και ορυκτών.
Η σύνθεση πολύπλοκων, κυρίως οργανικών, μειγμάτων αναλύεται από τα μοριακά τους φάσματα.
Η φασματική ανάλυση μπορεί να πραγματοποιηθεί όχι μόνο από φάσματα εκπομπής, αλλά και από φάσματα απορρόφησης. Είναι οι γραμμές απορρόφησης στο φάσμα του Ήλιου και των άστρων που καθιστούν δυνατή τη μελέτη της χημικής σύστασης αυτών των ουράνιων σωμάτων. Η έντονα φωτεινή επιφάνεια του Ήλιου - η φωτόσφαιρα - δίνει ένα συνεχές φάσμα. ηλιακή ατμόσφαιρααπορροφά επιλεκτικά το φως από τη φωτόσφαιρα, γεγονός που οδηγεί στην εμφάνιση γραμμών απορρόφησης στο φόντο του συνεχούς φάσματος της φωτόσφαιρας.
Αλλά η ίδια η ατμόσφαιρα του Ήλιου εκπέμπει φως. Κατά τη διάρκεια των ηλιακών εκλείψεων, όταν ο ηλιακός δίσκος καλύπτεται από τη Σελήνη, οι γραμμές του φάσματος αντιστρέφονται. Αντί για γραμμές απορρόφησης στο ηλιακό φάσμα, αναβοσβήνουν οι γραμμές εκπομπής.
Στην αστροφυσική, η φασματική ανάλυση εννοείται όχι μόνο για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης των άστρων, των νεφών αερίων κ.λπ., αλλά και για την εύρεση πολλών άλλων φυσικά χαρακτηριστικάαυτά τα αντικείμενα: θερμοκρασία, πίεση, ταχύτητα, μαγνητική επαγωγή.
Εκτός από την αστροφυσική, η φασματική ανάλυση χρησιμοποιείται ευρέως στην εγκληματολογία, για τη διερεύνηση στοιχείων που βρέθηκαν σε έναν τόπο εγκλήματος. Επίσης, η φασματική ανάλυση στην εγκληματολογία βοηθά στον προσδιορισμό του όπλου της δολοφονίας και, γενικά, στην αποκάλυψη ορισμένων στοιχείων του εγκλήματος.
Η φασματική ανάλυση χρησιμοποιείται ακόμη ευρύτερα στην ιατρική. Εδώ η εφαρμογή του είναι πολύ ευρεία. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάγνωση, καθώς και για τον προσδιορισμό ξένων ουσιών στο ανθρώπινο σώμα.
Η φασματική ανάλυση προοδεύει όχι μόνο την επιστήμη, αλλά και τη δημόσια σφαίρα ανθρώπινη δραστηριότητα.
Η φασματική ανάλυση απαιτεί ειδικά φασματικά όργανα, τα οποία θα εξετάσουμε περαιτέρω.
Φασματική συσκευή
Για μια ακριβή μελέτη των φασμάτων, τέτοιες απλές συσκευές όπως μια στενή σχισμή που περιορίζει τη δέσμη φωτός και ένα πρίσμα δεν επαρκούν πλέον. Χρειάζονται όργανα που δίνουν σαφές φάσμα, δηλαδή όργανα που διαχωρίζουν καλά κύματα διαφορετικών μηκών κύματος και δεν επιτρέπουν την επικάλυψη μεμονωμένων τμημάτων του φάσματος. Τέτοιες συσκευές ονομάζονται φασματικές συσκευές. Τις περισσότερες φορές, το κύριο μέρος της φασματικής συσκευής είναι ένα πρίσμα ή ένα πλέγμα περίθλασης.
Εξετάστε το σχήμα της συσκευής της φασματικής συσκευής πρίσματος. Η ακτινοβολία που μελετήθηκε εισέρχεται πρώτα στο τμήμα της συσκευής που ονομάζεται collimator. Το collimator είναι ένας σωλήνας, στο ένα άκρο του οποίου υπάρχει μια οθόνη με μια στενή σχισμή και στο άλλο - ένας συγκλίνοντας φακός. Το κενό είναι ανοιχτό εστιακό μήκοςαπό τον φακό. Επομένως, μια αποκλίνουσα δέσμη φωτός που εισέρχεται στον φακό από τη σχισμή εξέρχεται από αυτόν σε παράλληλη δέσμη και πέφτει στο πρίσμα.
Δεδομένου ότι διαφορετικές συχνότητες αντιστοιχούν σε διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, από το πρίσμα αναδύονται παράλληλες δέσμες, οι οποίες δεν συμπίπτουν ως προς την κατεύθυνση. Πέφτουν στον φακό. Στην εστιακή απόσταση αυτού του φακού υπάρχει μια οθόνη - παγωμένο γυαλίή φωτογραφική πλάκα. Ο φακός εστιάζει παράλληλες δέσμες ακτίνων στην οθόνη και αντί για μία μόνο εικόνα της σχισμής, λαμβάνεται μια ολόκληρη σειρά εικόνων. Κάθε συχνότητα (στενό φασματικό διάστημα) έχει τη δική της εικόνα. Όλες αυτές οι εικόνες μαζί σχηματίζουν ένα φάσμα.
Το περιγραφόμενο όργανο ονομάζεται φασματογράφος. Εάν αντί για δεύτερο φακό και οθόνη χρησιμοποιείται τηλεσκόπιο για οπτική παρατήρηση φασμάτων, τότε η συσκευή ονομάζεται φασματοσκόπιο. Τα πρίσματα και άλλες λεπτομέρειες των φασματικών συσκευών δεν είναι απαραίτητα κατασκευασμένα από γυαλί. Αντί για γυαλί, χρησιμοποιούνται επίσης διαφανή υλικά όπως χαλαζίας, ορυκτό αλάτι κ.λπ.
Εξοικειωθείτε με μια νέα ποσότητα - τη φασματική πυκνότητα της έντασης της ακτινοβολίας. Μάθαμε τι υπάρχει μέσα στο περίβλημα της φασματικής συσκευής.
Η φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας των ουσιών είναι πολύ διαφορετική. Όμως, παρόλα αυτά, όλα τα φάσματα, όπως δείχνει η εμπειρία, μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους.
Ιδιότητες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με διαφορετικά μήκη κύματος έχει αρκετές διαφορές, αλλά είναι όλες, από ραδιοκύματα έως ακτινοβολία γάμμα, ένα φυσική φύση. Όλοι οι τύποι ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό, παρουσιάζουν τις ιδιότητες παρεμβολής, περίθλασης και πόλωσης χαρακτηριστικές των κυμάτων. Ταυτόχρονα, όλοι οι τύποι ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εμφανίζουν κβαντικές ιδιότητες σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό.
Κοινοί σε όλες τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες είναι οι μηχανισμοί εμφάνισής τους: ηλεκτρομαγνητικά κύματα με οποιοδήποτε μήκος κύματος μπορούν να συμβούν κατά την επιταχυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων ή κατά τη διάρκεια της μετάβασης μορίων, ατόμων ή ατομικών πυρήνων από ένα κβαντική κατάστασησε άλλο. Οι αρμονικές ταλαντώσεις ηλεκτρικών φορτίων συνοδεύονται από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που έχει συχνότητα ίση με τη συχνότητα των ταλαντώσεων φορτίου.
Ραδιοκύματα.Με ταλαντώσεις που συμβαίνουν σε συχνότητες από 10 5 έως 10 12 Hz, εμφανίζεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, τα μήκη κύματος της οποίας βρίσκονται στην περιοχή από αρκετά χιλιόμετρα έως αρκετά χιλιοστά. Αυτό το τμήμα της κλίμακας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αναφέρεται στην περιοχή ραδιοκυμάτων. Τα ραδιοκύματα χρησιμοποιούνται για ραδιοεπικοινωνίες, τηλεόραση και ραντάρ.
Υπέρυθρη ακτινοβολία.Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος μικρότερο από 1-2 mm, αλλά μεγαλύτερο από 8 * 10 -7 m, δηλ. που βρίσκεται μεταξύ του εύρους των ραδιοκυμάτων και του ορατού φωτός ονομάζονται υπέρυθρη ακτινοβολία.
Η περιοχή του φάσματος πέρα από την κόκκινη άκρη του διερευνήθηκε για πρώτη φορά πειραματικά το 1800. Ο Άγγλος αστρονόμος William Herschel (1738-1822). Ο Χέρσελ τοποθέτησε το θερμόμετρο μαύρης λάμπας πέρα από το κόκκινο άκρο του φάσματος και εντόπισε αύξηση της θερμοκρασίας. Η λάμπα του θερμομέτρου θερμάνθηκε με ακτινοβολία, αόρατη στο μάτι. Αυτή η ακτινοβολία ονομάζεται υπέρυθρη ακτινοβολία.
Η υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπεται από οποιοδήποτε θερμαινόμενο σώμα. Πηγές υπέρυθρη ακτινοβολίαχρησιμοποιούνται φούρνοι, μπαταρίες θέρμανσης νερού, ηλεκτρικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως.
Μέσω ειδικές συσκευέςΗ υπέρυθρη ακτινοβολία μπορεί να μετατραπεί σε ορατό φως και οι εικόνες των θερμαινόμενων αντικειμένων μπορούν να ληφθούν στο απόλυτο σκοτάδι. Η υπέρυθρη ακτινοβολία χρησιμοποιείται για ξήρανση βαμμένων προϊόντων, τοίχων κτιρίων, ξύλου.
Η σημασία αυτού του τμήματος του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην ανθρώπινη ζωή είναι εξαιρετικά μεγάλη, αφού ένα άτομο λαμβάνει σχεδόν όλες τις πληροφορίες για τον κόσμο γύρω του με τη βοήθεια της όρασης.
Το φως είναι προαπαιτούμενοανάπτυξη πράσινων φυτών και, κατά συνέπεια, απαραίτητη προϋπόθεσηγια την ύπαρξη ζωής στη Γη.
Υπεριωδης ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ. Το 1801, ο Γερμανός φυσικός Johann Ritter (1776 - 1810), ενώ μελετούσε το φάσμα, ανακάλυψε ότι πέρα από το ιώδες άκρο του υπάρχει μια περιοχή που δημιουργείται από ακτίνες αόρατη στο μάτι. Αυτές οι ακτίνες επηρεάζουν ορισμένες χημικές ενώσεις. Κάτω από τη δράση αυτών των αόρατων ακτίνων, συμβαίνει η αποσύνθεση του χλωριούχου αργύρου, η λάμψη των κρυστάλλων θειούχου ψευδαργύρου και ορισμένων άλλων κρυστάλλων.
αόρατο στο μάτι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαμε μήκος κύματος μικρότερο από αυτό του ιώδους φωτός ονομάζεται υπεριώδης ακτινοβολία. Η υπεριώδης ακτινοβολία περιλαμβάνει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος από 4 * 10 -7 έως 1 * 10 -8 m.
Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι ικανή να σκοτώνει παθογόνα βακτήρια, επομένως χρησιμοποιείται ευρέως στην ιατρική. Η υπεριώδης ακτινοβολία στη σύνθεση του ηλιακού φωτός προκαλεί βιολογικές διεργασίες που οδηγούν σε σκουρόχρωμο ανθρώπινο δέρμα - ηλιακό έγκαυμα.
Οι λαμπτήρες εκκένωσης χρησιμοποιούνται ως πηγές υπεριώδους ακτινοβολίας στην ιατρική. Οι σωλήνες τέτοιων λαμπτήρων είναι κατασκευασμένοι από χαλαζία, διαφανείς στις υπεριώδεις ακτίνες. επομένως αυτοί οι λαμπτήρες ονομάζονται λαμπτήρες χαλαζία.
ακτινογραφίες. Εάν μια σταθερή τάση αρκετών δεκάδων χιλιάδων βολτ εφαρμοστεί σε ένα σωλήνα κενού μεταξύ μιας θερμαινόμενης καθόδου που εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και μια άνοδο, τότε τα ηλεκτρόνια θα επιταχυνθούν πρώτα ηλεκτρικό πεδίο, και στη συνέχεια επιβραδύνει απότομα το υλικό της ανόδου όταν αλληλεπιδρά με τα άτομά του. Κατά την επιβράδυνση των γρήγορων ηλεκτρονίων σε μια ουσία ή κατά τη διάρκεια των μεταπτώσεων ηλεκτρονίων στα εσωτερικά κελύφη των ατόμων, προκύπτουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μήκος κύματος μικρότερο από αυτό της υπεριώδους ακτινοβολίας. Αυτή η ακτινοβολία ανακαλύφθηκε το 1895 από τον Γερμανό φυσικό Wilhelm Roentgen (1845-1923). Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο εύρος μήκους κύματος από 10 -14 έως 10 -7 m ονομάζονται ακτίνες Χ.
Οι ακτίνες Χ είναι αόρατες στο μάτι. Περνούν χωρίς σημαντική απορρόφηση μέσα από σημαντικά στρώματα υλικού που είναι αδιαφανές στο ορατό φως. Οι ακτίνες Χ ανιχνεύονται από την ικανότητά τους να προκαλούν μια συγκεκριμένη λάμψη ορισμένων κρυστάλλων και να δρουν σε φωτογραφικό φιλμ.
Η ικανότητα των ακτίνων Χ να διεισδύουν σε παχιά στρώματα ύλης χρησιμοποιείται για τη διάγνωση ασθενειών. εσωτερικά όργαναπρόσωπο. Στη μηχανική, οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της εσωτερικής δομής διαφόρων προϊόντων, συγκολλήσεων. Η ακτινοβολία με ακτίνες Χ έχει ισχυρή βιολογική επίδραση και χρησιμοποιείται για τη θεραπεία ορισμένων ασθενειών.
Ακτινοβολία γάμμα. Η ακτινοβολία γάμμα ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από διεγερμένους ατομικούς πυρήνες και προκύπτει από την αλληλεπίδραση στοιχειωδών σωματιδίων.
Η ακτινοβολία γάμμα είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με το μικρότερο μήκος κύματος (l < 10 -10 m). Το χαρακτηριστικό του είναι οι έντονες σωματιδιακές ιδιότητες. Ως εκ τούτου, η ακτινοβολία γάμμα θεωρείται συνήθως ως ένα ρεύμα σωματιδίων - ακτίνες γάμμα. Στην περιοχή των μηκών κύματος από 10 -10 έως 10 -14 και το εύρος των ακτίνων Χ και της ακτινοβολίας γάμμα επικαλύπτονται, σε αυτήν την περιοχή, οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα είναι πανομοιότυπες στη φύση και διαφέρουν μόνο ως προς την προέλευση.
ΣΤΟ αρχές XIXσε. βρέθηκε ότι πάνω (κατά μήκος κύματος) το κόκκινο τμήμα του φάσματος του ορατού φωτός είναι αόρατο στο μάτι υπέρυθρεςμέρος του φάσματος και κάτω από το ιώδες τμήμα του φάσματος του ορατού φωτός είναι αόρατο UVμέρος του φάσματος.
Τα μήκη κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας κυμαίνονται από
3·10 -4 έως 7,6·10 -7 μ. Η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα αυτής της ακτινοβολίας είναι η θερμική της επίδραση. Οποιοδήποτε σώμα είναι πηγή υπέρυθρων. Η ένταση αυτής της ακτινοβολίας είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του σώματος. Η υπέρυθρη ακτινοβολία εξετάζεται με τη χρήση θερμοστοιχείων και βολόμετρων. Η αρχή λειτουργίας των συσκευών νυχτερινής όρασης βασίζεται στη χρήση υπέρυθρης ακτινοβολίας.
Τα μήκη κύματος της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι στην περιοχή από
4·10 -7 έως 6·10 -9 μ. Η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα αυτής της ακτινοβολίας είναι η χημική και βιολογική της επίδραση. Η υπεριώδης ακτινοβολία προκαλεί το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, τη λάμψη μιας σειράς ουσιών ( φθορισμού και φωσφορισμού).Σκοτώνει τα μικρόβια που προκαλούν ασθένειες, προκαλεί ηλιακά εγκαύματα κ.λπ.
Στην επιστήμη, η υπέρυθρη και η υπεριώδης ακτινοβολία χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των μορίων και των ατόμων της ύλης.
Στην οθόνη πίσω από ένα διαθλαστικό πρίσμα, τα μονοχρωματικά χρώματα στο φάσμα είναι διατεταγμένα με την ακόλουθη σειρά: κόκκινο (με το μεγαλύτερο μήκος κύματος l k \u003d 7,6 10 -7 m μεταξύ των κυμάτων του ορατού φωτός και του μικρότερου δείκτη διάθλασης), πορτοκαλί, κίτρινο , πράσινο, μπλε, μπλε και ιώδες (με το μικρότερο μήκος κύματος στο ορατό φάσμα l f =4·10 -7 m και τον υψηλότερο δείκτη διάθλασης).
Έτσι, η φασματική ανάλυση χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλους τους πιο σημαντικούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας: στην ιατρική, στην ιατροδικαστική, στη βιομηχανία και σε άλλες βιομηχανίες που υπάρχουν προς όφελος της ανθρωπότητας. Έτσι η φασματική ανάλυση είναι ένα από τα κρίσιμες πτυχέςτην ανάπτυξη όχι μόνο της επιστημονικής προόδου, αλλά και του ίδιου του επιπέδου της ανθρώπινης ζωής.
1. Εργαστήριο Φυσικής «Ηλεκτρισμός και Μαγνητισμός» με επιμέλεια του καθηγητή V.I. Ιβερόνοβα. Εκδοτικός οίκος "Επιστήμη", Μ. - 1968.
2. D.V. Sivukhin, Γενικό μάθημα φυσικής. Πυρηνικά και πυρηνική φυσική. Μέρος 1. Ατομική φυσική. Εκδοτικός οίκος "Nauka", Μόσχα - 1986.
3. Ν.Ν. Evgrafova, V.L. Kagan "Μάθημα φυσικής για τα προπαρασκευαστικά τμήματα των πανεπιστημίων". Εκδοτικός οίκος "Γυμνάσιο", Μόσχα - 1978.
4. Β.Μ. Yavorsky, Yu.A. Seleznev "Οδηγός αναφοράς στη φυσική για αιτούντες σε πανεπιστήμια και αυτοεκπαίδευση." Εκδοτικός οίκος "Nauka", Μόσχα - 1984.
5. Ο.Φ. Kabardin "Φυσική". Εκδοτικός οίκος "Διαφωτισμός", Μ. - 1991.
Οι Kirchhoff και Bunsen ήταν οι πρώτοι που επιχείρησαν φασματική ανάλυση το 1859. Δύο δημιούργησαν ένα φασματοσκόπιο που μοιάζει με σωλήνα ακανόνιστο σχήμα. Στη μία πλευρά υπήρχε μια τρύπα (collimator) στην οποία έπεφταν οι μελετημένες ακτίνες φωτός. Ένα πρίσμα βρισκόταν μέσα στον σωλήνα, παρέσυρε τις ακτίνες και τις κατεύθυνε προς μια άλλη τρύπα του σωλήνα. Στην έξοδο, οι φυσικοί μπορούσαν να δουν το φως να αποσυντίθεται σε ένα φάσμα.
Οι επιστήμονες αποφάσισαν να πραγματοποιήσουν ένα πείραμα. Σκοτείνιασε το δωμάτιο και κάλυψε το παράθυρο χοντρές κουρτίνες, άναψαν ένα κερί κοντά στη σχισμή του κολιμάτορα και στη συνέχεια πήραν κομμάτια από διάφορες ουσίες και τα έγχυσαν στη φλόγα του κεριού, παρατηρώντας αν άλλαξε το φάσμα. Και αποδείχθηκε ότι οι θερμοί ατμοί κάθε ουσίας έδιναν διαφορετικά φάσματα! Δεδομένου ότι το πρίσμα διαχώριζε αυστηρά τις ακτίνες και δεν τους επέτρεπε να επικαλύπτονται μεταξύ τους, ήταν δυνατό να αναγνωριστεί με ακρίβεια η ουσία από το προκύπτον φάσμα.
Στη συνέχεια, ο Kirchhoff ανέλυσε το φάσμα του Ήλιου, διαπιστώνοντας ότι ορισμένα χημικά στοιχεία υπήρχαν στη χρωμόσφαιρά του. Αυτό οδήγησε στην αστροφυσική.
Για τη φασματική ανάλυση απαιτείται πολύ μικρή ποσότητα ουσίας. Αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά ευαίσθητη και πολύ γρήγορη, γεγονός που επιτρέπει όχι μόνο τη χρήση της για ποικίλες ανάγκες, αλλά και την καθιστά μερικές φορές απλά αναντικατάστατη. Είναι γνωστό σίγουρα ότι κάθε περιοδικός πίνακας εκπέμπει ένα ειδικό φάσμα, μόνο σε αυτόν, επομένως, με μια σωστά διεξαγόμενη φασματική ανάλυση, είναι σχεδόν αδύνατο να κάνουμε λάθος.
Η φασματική ανάλυση είναι ατομική και μοριακή. Μέσω της ατομικής ανάλυσης μπορεί κανείς να αποκαλύψει, αντίστοιχα, την ατομική σύσταση μιας ουσίας και μέσω της μοριακής ανάλυσης τη μοριακή σύνθεση.
Υπάρχουν δύο τρόποι μέτρησης του φάσματος: εκπομπή και απορρόφηση. Η ανάλυση φάσματος εκπομπής πραγματοποιείται εξετάζοντας ποιο φάσμα εκπέμπεται από επιλεγμένα άτομα ή μόρια. Για να γίνει αυτό χρειάζεται να τους δοθεί ενέργεια, να τους ενθουσιάσει δηλαδή. Η ανάλυση απορρόφησης, αντίθετα, πραγματοποιείται στο φάσμα απορρόφησης μιας ηλεκτρομαγνητικής μελέτης που απευθύνεται σε αντικείμενα.
Η φασματική ανάλυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση πολλών διάφορα χαρακτηριστικάουσίες, σωματίδια ή ακόμη και μεγάλα φυσικά σώματα (για παράδειγμα, διαστημικά αντικείμενα). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η φασματική ανάλυση χωρίζεται περαιτέρω σε διάφορες μεθόδους. Για να αποκτήσετε το αποτέλεσμα που απαιτείται για μια συγκεκριμένη εργασία, πρέπει να επιλέξετε τον σωστό εξοπλισμό, το μήκος κύματος για τη μελέτη του φάσματος, καθώς και την ίδια την περιοχή του φάσματος.
Η σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία είναι αδιανόητες χωρίς γνώση της χημικής σύστασης ουσιών που αποτελούν αντικείμενα ανθρώπινης δραστηριότητας. Τα ορυκτά που βρίσκουν οι γεωλόγοι και οι νέες ουσίες και υλικά που λαμβάνονται από τους χημικούς, χαρακτηρίζονται κυρίως από τη χημική τους σύνθεση. Για σωστή διαχείριση τεχνολογικές διαδικασίεςσε μια μεγάλη ποικιλία βιομηχανιών Εθνική οικονομίααπαιτεί ακριβή γνώση της χημικής σύστασης της πρώτης ύλης, των ενδιάμεσων και των τελικών προϊόντων.
Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας επιβάλλει νέες απαιτήσεις στις μεθόδους ανάλυσης της ύλης. Μέχρι σχετικά πρόσφατα, ήταν δυνατό να περιοριστεί κανείς στον προσδιορισμό των ακαθαρσιών που υπήρχαν σε συγκεντρώσεις έως και 10–2–10–3%. Η εμφάνιση και η ταχεία ανάπτυξη στα μεταπολεμικά χρόνια της βιομηχανίας ατομικών υλικών, καθώς και η παραγωγή σκληρών, ανθεκτικών στη θερμότητα και άλλων ειδικών χάλυβων και κραμάτων, απαιτούσαν αύξηση της ευαισθησίας των αναλυτικών μεθόδων σε 10–4–10– 6%, αφού διαπιστώθηκε ότι η παρουσία ακαθαρσιών ακόμη και σε τόσο μικρές συγκεντρώσεις επηρεάζει σημαντικά τις ιδιότητες των υλικών και την πορεία ορισμένων τεχνολογικών διεργασιών.
Πρόσφατα, λόγω της ανάπτυξης της βιομηχανίας υλικά ημιαγωγώνεπιβάλλονται ακόμη υψηλότερες απαιτήσεις για την καθαρότητα των ουσιών και, κατά συνέπεια, για την ευαισθησία των αναλυτικών μεθόδων - είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν οι ακαθαρσίες, η περιεκτικότητα των οποίων είναι εντελώς αμελητέα (10-7-10-9%). Φυσικά, μια τέτοια εξαιρετικά υψηλή καθαρότητα ουσιών χρειάζεται μόνο σε μεμονωμένες περιπτώσεις, αλλά σε έναν ή τον άλλο βαθμό, η αύξηση της ευαισθησίας της ανάλυσης έχει γίνει απαραίτητη προϋπόθεση σε όλους σχεδόν τους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας.
Σε παραγωγή πολυμερή υλικάη συγκέντρωση των ακαθαρσιών στις αρχικές ουσίες (μονομερή) ήταν πολύ υψηλή - συχνά δέκατα και ακόμη και ακέραιοι αριθμοί επί τοις εκατό. Πρόσφατα βρέθηκε ότι η ποιότητα πολλών τελικών πολυμερών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την καθαρότητά τους. Επομένως, επί του παρόντος, οι αρχικές ακόρεστες ενώσεις και ορισμένα άλλα μονομερή ελέγχονται για την παρουσία ακαθαρσιών, η περιεκτικότητα των οποίων δεν πρέπει να υπερβαίνει το 10–2–10–4%. Στη γεωλογία, οι υδροχημικές μέθοδοι εξερεύνησης κοιτασμάτων μεταλλεύματος χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο. Για την επιτυχή εφαρμογή τους, είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός των μεταλλικών αλάτων φυσικά νεράσε συγκέντρωση 10-4-10-8 g/l και ακόμη λιγότερο.
Επί του παρόντος επιβάλλονται αυξημένες απαιτήσεις όχι μόνο για την ευαισθησία της ανάλυσης. Η εισαγωγή νέων τεχνολογικών διαδικασιών στην παραγωγή συνδέεται συνήθως στενά με την ανάπτυξη μεθόδων που παρέχουν αρκετά υψηλή ταχύτητα και ακρίβεια ανάλυσης. Μαζί με αυτό, οι αναλυτικές μέθοδοι απαιτούν υψηλή απόδοση και ικανότητα αυτοματοποίησης μεμονωμένων λειτουργιών ή ολόκληρης της ανάλυσης. Οι χημικές μέθοδοι ανάλυσης δεν ανταποκρίνονται πάντα στις απαιτήσεις της σύγχρονης επιστήμης και τεχνολογίας. Ως εκ τούτου, φυσικοχημικές και φυσικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της χημικής σύνθεσης, οι οποίες έχουν μια σειρά από πολύτιμα χαρακτηριστικά, εισάγονται όλο και περισσότερο στην πράξη. Μεταξύ αυτών των μεθόδων, μια από τις κύριες θέσεις καταλαμβάνεται δικαιωματικά φασματική ανάλυση.
Λόγω της υψηλής επιλεκτικότητας της φασματικής ανάλυσης, ένα και το αυτό διάγραμμα κυκλώματος, στα ίδια όργανα για την ανάλυση μιας ποικιλίας ουσιών, επιλέγοντας σε κάθε μεμονωμένη περίπτωση μόνο τις περισσότερες ευνοϊκές συνθήκεςγια μέγιστη ταχύτητα, ευαισθησία και ακρίβεια ανάλυσης. Επομένως, παρά τον τεράστιο αριθμό αναλυτικών τεχνικών που προορίζονται για την ανάλυση διαφόρων αντικειμένων, όλες βασίζονται σε μια κοινή ιδέα.
Η φασματική ανάλυση βασίζεται στη μελέτη της δομής του φωτός που εκπέμπεται ή απορροφάται από την αναλυόμενη ουσία. Οι μέθοδοι φασματικής ανάλυσης χωρίζονται σε εκπομπή (εκπομπή - εκπομπή) και απορρόφηση (απορρόφηση - απορρόφηση).
Εξετάστε το σχήμα της φασματικής ανάλυσης εκπομπής (Εικ. 6.8a). Προκειμένου μια ουσία να εκπέμπει φως, είναι απαραίτητο να μεταφέρει πρόσθετη ενέργεια σε αυτήν. Στη συνέχεια, τα άτομα και τα μόρια της αναλυόμενης ουσίας περνούν σε διεγερμένη κατάσταση. Επιστρέφοντας στην κανονική τους κατάσταση, εκπέμπουν περίσσεια ενέργειας με τη μορφή φωτός. Η φύση του φωτός που εκπέμπεται από στερεά ή υγρά συνήθως εξαρτάται πολύ λίγο από τη χημική σύνθεση και επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανάλυση. Η ακτινοβολία των αερίων έχει εντελώς διαφορετικό χαρακτήρα. Καθορίζεται από τη σύνθεση του δείγματος που αναλύθηκε. Από αυτή την άποψη, στην ανάλυση εκπομπών, πριν από τη διέγερση μιας ουσίας, πρέπει να εξατμιστεί.
Ρύζι. 6.8.
ένα - εκπομπή: σι – απορρόφηση: 1 - Πηγή φωτός; 2 – συμπυκνωτής φωτισμού? 3 – κυψελίδα για το αναλυθέν δείγμα. 4 – φασματική συσκευή. 5 – καταχώριση του φάσματος· 6 – προσδιορισμός του μήκους κύματος των φασματικών γραμμών ή ζωνών· 7 – ποιοτική ανάλυση του δείγματος χρησιμοποιώντας πίνακες και άτλαντες· 8 – προσδιορισμός της έντασης των γραμμών ή των ζωνών. 9 – ποσοτική ανάλυσηδείγματα σύμφωνα με το διάγραμμα βαθμονόμησης· λ είναι το μήκος κύματος. J είναι η ένταση των ζωνών
Η εξάτμιση και η διέγερση πραγματοποιείται σε πηγές φωτός, στο οποίο εισάγεται το αναλυόμενο δείγμα. Ως πηγές φωτός, χρησιμοποιούνται φλόγα υψηλής θερμοκρασίας ή διάφοροι τύποι ηλεκτρικής εκκένωσης σε αέρια: τόξο, σπινθήρα κ.λπ. Για να ληφθεί ηλεκτρική εκκένωση με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά γεννήτριες.
Η υψηλή θερμοκρασία (χιλιάδες και δεκάδες χιλιάδες μοίρες) στις πηγές φωτός οδηγεί στη διάσπαση των μορίων των περισσότερων ουσιών σε άτομα. Επομένως, οι μέθοδοι εκπομπής χρησιμεύουν, κατά κανόνα, για ατομική ανάλυση και μόνο πολύ σπάνια για μοριακή ανάλυση.
Η ακτινοβολία της φωτεινής πηγής είναι το άθροισμα της ακτινοβολίας των ατόμων όλων των στοιχείων που υπάρχουν στο δείγμα. Για ανάλυση, είναι απαραίτητο να απομονωθεί η ακτινοβολία κάθε στοιχείου. Αυτό γίνεται με τη χρήση οπτικών οργάνων - φασματικές συσκευές, στο οποίο οι φωτεινές ακτίνες με διαφορετικά μήκη κύματος διαχωρίζονται στο χώρο η μία από την άλλη. Η ακτινοβολία μιας φωτεινής πηγής, που αποσυντίθεται σε μήκη κύματος, ονομάζεται φάσμα.
Οι φασματικές συσκευές έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε οι φωτεινές δονήσεις κάθε μήκους κύματος που εισέρχονται στη συσκευή να σχηματίζουν μια ενιαία γραμμή. Πόσα διαφορετικά κύματα υπήρχαν στην ακτινοβολία της φωτεινής πηγής, τόσες γραμμές λαμβάνονται στη φασματική συσκευή.
Τα ατομικά φάσματα των στοιχείων αποτελούνται από μεμονωμένες γραμμές, αφού υπάρχουν μόνο ορισμένα συγκεκριμένα κύματα στην ακτινοβολία των ατόμων (Εικ. 6.9α). Στην ακτινοβολία θερμών στερεών ή υγρών σωμάτων, υπάρχει φως οποιουδήποτε μήκους κύματος. Ξεχωριστές γραμμές στη φασματική συσκευή συγχωνεύονται μεταξύ τους. Αυτή η ακτινοβολία έχει συνεχές φάσμα (Εικ. 6.9f). Σε αντίθεση με το γραμμικό φάσμα των ατόμων, τα φάσματα μοριακής εκπομπής των ουσιών που δεν διασπώνται σε υψηλή θερμοκρασία είναι ριγέ (Εικ. 6.96). Κάθε λωρίδα σχηματίζεται ένας μεγάλος αριθμόςγραμμές σε κοντινή απόσταση.
Το φως, το οποίο αποσυντίθεται σε φάσμα σε μια φασματική συσκευή, μπορεί να προβληθεί οπτικά ή να καταγραφεί χρησιμοποιώντας φωτογραφία ή φωτοηλεκτρικές συσκευές. Ο σχεδιασμός της φασματικής συσκευής εξαρτάται από τη μέθοδο καταγραφής του φάσματος. Τα φάσματα χρησιμοποιούνται για την οπτική παρατήρηση των φασμάτων. φασματοσκοπίων – χαλυβδοσκόπια και στυλόμετρα. Τα φάσματα φωτογραφίζονται χρησιμοποιώντας φασματογράφοι. Φασματικές συσκευές - μονοχρωματες - επιτρέψτε την εκπομπή φωτός ενός μήκους κύματος, μετά την οποία μπορεί να καταγραφεί χρησιμοποιώντας φωτοκύτταρο ή άλλο δέκτη ηλεκτρικού φωτός.
Ρύζι. 6.9.
ένα - με επένδυση 6 - ριγέ? οι επιμέρους γραμμές που απαρτίζουν το συγκρότημα είναι ορατές. σε - στερεό. Τα πιο σκοτεινά σημεία στο φάσμα αντιστοιχούν στην υψηλότερη ένταση φωτός (αρνητική εικόνα). λ είναι το μήκος κύματος
Στο ποιοτική ανάλυσηείναι απαραίτητο να προσδιοριστεί ποιο στοιχείο εκπέμπει τη μία ή την άλλη γραμμή στο φάσμα του αναλυόμενου δείγματος. Για να γίνει αυτό, πρέπει να βρείτε το μήκος κύματος της γραμμής με βάση τη θέση της στο φάσμα και, στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας πίνακες, να προσδιορίσετε ότι ανήκει σε ένα ή άλλο στοιχείο. Για να δείτε μια μεγεθυμένη εικόνα του φάσματος σε μια φωτογραφική πλάκα και να καθορίσετε το μήκος κύματος, μικροσκόπια μέτρησης , προβολείς φάσματος και άλλες βοηθητικές συσκευές.
Η ένταση των φασματικών γραμμών αυξάνεται με τη συγκέντρωση του στοιχείου στο δείγμα. Επομένως, για τη διεξαγωγή μιας ποσοτικής ανάλυσης, είναι απαραίτητο να βρεθεί η ένταση μιας φασματικής γραμμής του στοιχείου που προσδιορίζεται. Η ένταση της γραμμής μετριέται είτε με το μαύρισμα της στη φωτογραφία του φάσματος ( φασματογράφημα ) ή αμέσως ανάλογα με το μέγεθος της φωτεινής ροής που εξέρχεται από τη φασματική συσκευή. Το μέγεθος του μαυρίσματος των γραμμών στο φασματόγραμμα προσδιορίζεται από το μικροφωτόμετρα.
Η σχέση μεταξύ της έντασης της γραμμής στο φάσμα και της συγκέντρωσης του στοιχείου στο αναλυόμενο δείγμα καθορίζεται χρησιμοποιώντας πρότυπα - δείγματα παρόμοια με αυτά που αναλύονται, αλλά με επακριβώς γνωστή χημική σύνθεση. Αυτή η σχέση εκφράζεται συνήθως με τη μορφή καμπυλών βαθμονόμησης.
Το σχήμα για τη διεξαγωγή φασματικής ανάλυσης απορρόφησης (Εικ. 6.8β) διαφέρει από το σχήμα που έχει ήδη εξεταστεί μόνο στο αρχικό του μέρος. Η πηγή του φωτός είναι το θερμαινόμενο στερεόςή άλλη πηγή συνεχούς ακτινοβολίας, δηλ. ακτινοβολία οποιουδήποτε μήκους κύματος. Το αναλυόμενο δείγμα τοποθετείται μεταξύ της φωτεινής πηγής και της φασματικής συσκευής. Το φάσμα μιας ουσίας αποτελείται από μήκη κύματος TC, η ένταση των οποίων μειώθηκε κατά τη διέλευση συνεχούς φωτός από αυτήν την ουσία (Εικ. 6.10). Είναι βολικό να αναπαραστήσουμε το φάσμα απορρόφησης των ουσιών γραφικά, σχεδιάζοντας το μήκος κύματος κατά μήκος του άξονα της τετμημένης και την ποσότητα απορρόφησης φωτός από την ουσία κατά μήκος του άξονα τεταγμένων.
Ρύζι. 6.10.
ένα - φωτογραφικό σι - γραφικό Το I είναι το φάσμα της συνεχούς πηγής φωτός. II - το φάσμα της ίδιας ακτινοβολίας μετά τη διέλευση από το αναλυόμενο δείγμα
Τα φάσματα απορρόφησης λαμβάνονται χρησιμοποιώντας φασματική συσκευή - φασματοφωτόμετρα, που περιλαμβάνουν μια συνεχή πηγή φωτός, ένα μονοχρωματικό και μια συσκευή εγγραφής.
Διαφορετικά, τα σχήματα ανάλυσης απορρόφησης και εκπομπών είναι τα ίδια.
Η φασματική ανάλυση με φάσματα εκπομπής ή απορρόφησης περιλαμβάνει τις ακόλουθες λειτουργίες.
Η όλη διαδικασία της φασματικής ανάλυσης αποτελείται, όπως είδαμε, από διάφορα στάδια. Αυτά τα στάδια μπορούν να μελετηθούν διαδοχικά, ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, και στη συνέχεια να εξεταστεί η σχέση τους.
Με τη βοήθεια της φασματικής ανάλυσης, είναι δυνατός ο προσδιορισμός τόσο της ατομικής (στοιχειώδους) όσο και της μοριακής σύστασης μιας ουσίας. Η φασματική ανάλυση επιτρέπει την ποιοτική ανακάλυψη μεμονωμένων συστατικών του αναλυόμενου δείγματος και τον ποσοτικό προσδιορισμό των συγκεντρώσεών τους.
Ουσίες με πολύ κοντά Χημικές ιδιότητες, που είναι δύσκολο ή και αδύνατο να αναλυθούν με χημικές μεθόδους, προσδιορίζονται εύκολα φασματικά. Για παράδειγμα, είναι σχετικά εύκολο να αναλυθεί ένα μείγμα στοιχείων σπάνιων γαιών ή ένα μείγμα αδρανών αερίων. Χρησιμοποιώντας φασματική ανάλυση, είναι δυνατός ο προσδιορισμός ισομερών οργανικών ενώσεων με πολύ παρόμοιες χημικές ιδιότητες.
Οι μέθοδοι ατομικής φασματικής ανάλυσης, τόσο ποιοτική όσο και ποσοτική, είναι πλέον πολύ καλύτερα ανεπτυγμένες από τις μοριακές και έχουν ευρύτερη πρακτική εφαρμογή. Ατομική φασματική ανάλυση χρησιμοποιείται για την ανάλυση μιας μεγάλης ποικιλίας αντικειμένων. Το πεδίο εφαρμογής του είναι πολύ ευρύ: σιδηρούχα και μη σιδηρούχα μεταλλουργία, μηχανολογία, γεωλογία, χημεία, βιολογία, αστροφυσική και πολλοί άλλοι κλάδοι της επιστήμης και της βιομηχανίας.
Πρέπει να σημειωθεί ότι το πλάτος και ο όγκος πρακτικές εφαρμογέςΗ μοριακή φασματική ανάλυση, ιδιαίτερα τον τελευταίο καιρό, αυξάνεται με ταχείς ρυθμούς και συνεχώς. Αυτό οφείλεται κυρίως στην ανάπτυξη και παραγωγή φασματο-αναλυτικού εξοπλισμού για αυτή τη μέθοδο.
Το πεδίο εφαρμογής της μοριακής φασματικής ανάλυσης καλύπτει κυρίως οργανικές ουσίες, αν και οι ανόργανες ενώσεις μπορούν επίσης να αναλυθούν με επιτυχία. Μοριακή φασματική ανάλυση εισάγεται κυρίως στη χημική βιομηχανία, τη διύλιση πετρελαίου και τη χημική-φαρμακευτική βιομηχανία.
Η ευαισθησία της φασματικής ανάλυσης είναι πολύ υψηλή. Η ελάχιστη συγκέντρωση μιας αναλυόμενης ουσίας που μπορεί να ανιχνευθεί και να μετρηθεί με φασματικές μεθόδους ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό ανάλογα με τις ιδιότητες αυτής της ουσίας και τη σύνθεση του αναλυόμενου δείγματος. Με άμεση ανάλυση, κατά τον προσδιορισμό των περισσότερων μετάλλων και ορισμένων άλλων στοιχείων, επιτυγχάνεται σχετικά εύκολα ευαισθησία 10-3-a για ορισμένες ουσίες, ακόμη και 10-5-1-6%. Και μόνο σε ιδιαίτερα δυσμενείς περιπτώσεις, η ευαισθησία μειώνεται σε 10-1-10-2%. Η χρήση ενός προκαταρκτικού διαχωρισμού των ακαθαρσιών από τη βάση του δείγματος καθιστά δυνατή τη μεγάλη (συχνά χιλιάδες φορές) αύξηση της ευαισθησίας της ανάλυσης. Λόγω της υψηλής ευαισθησίας της, η ατομική φασματική ανάλυση χρησιμοποιείται ευρέως για την ανάλυση καθαρών και υπερκαθαρών μετάλλων, στη γεωχημεία και στην επιστήμη του εδάφους για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων ίχνους. διάφορα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των σπάνιων και διάσπαρτων, στη βιομηχανία ατομικών και ημιαγωγών υλικών.
Η ευαισθησία της μοριακής φασματικής ανάλυσης για διάφορες ουσίες ποικίλλει ακόμη περισσότερο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δύσκολο να προσδιοριστούν ουσίες των οποίων η περιεκτικότητα στο αναλυόμενο δείγμα είναι ποσοστά και δέκατα του τοις εκατό, αλλά μπορούν επίσης να δοθούν παραδείγματα πολύ υψηλής ευαισθησίας μοριακής ανάλυσης 10–7–10–8%. Η ακρίβεια της ατομικής φασματικής ανάλυσης εξαρτάται από τη σύνθεση και τη δομή των αναλυόμενων αντικειμένων. Κατά την ανάλυση δειγμάτων που έχουν παρόμοια δομή και σύνθεση, μπορεί εύκολα να επιτευχθεί υψηλή ακρίβεια. Το σφάλμα σε αυτή την περίπτωση δεν υπερβαίνει το ±1–3% σε σχέση με την καθορισμένη τιμή. Επομένως, για παράδειγμα, η σειριακή φασματική ανάλυση μετάλλων και κραμάτων είναι ακριβής. Στη μεταλλουργία και τη μηχανολογία, η φασματική ανάλυση έχει γίνει πλέον η κύρια αναλυτική μέθοδος.
Η ακρίβεια της ανάλυσης ουσιών των οποίων η σύσταση και η δομή ποικίλλει σημαντικά από δείγμα σε δείγμα είναι πολύ χαμηλότερη, αλλά πρόσφατα η κατάσταση σε αυτόν τον τομέα έχει βελτιωθεί αισθητά. Κατέστη δυνατή η ποσοτική φασματική ανάλυση μεταλλευμάτων, ορυκτών, πετρωμάτων, σκωριών και παρόμοιων αντικειμένων. Αν και το πρόβλημα δεν έχει ακόμη λυθεί πλήρως, η ποσοτική ανάλυση των μη μεταλλικών δειγμάτων χρησιμοποιείται πλέον ευρέως σε πολλές βιομηχανίες - στη μεταλλουργία, τη γεωλογία, την παραγωγή πυρίμαχων υλικών, γυαλιών και άλλων προϊόντων.
Το σχετικό σφάλμα προσδιορισμού στην ατομική φασματική ανάλυση εξαρτάται ελάχιστα από τη συγκέντρωση. Παραμένει σχεδόν σταθερό τόσο στην ανάλυση μικρών ακαθαρσιών και προσθέτων, όσο και στον προσδιορισμό των κύριων συστατικών του δείγματος. Ακρίβεια χημικές μεθόδουςη ανάλυση μειώνεται σημαντικά κατά τη μετάβαση στον προσδιορισμό των προσμείξεων. Επομένως, η ατομική φασματική ανάλυση είναι πιο ακριβής από τη χημική ανάλυση στην περιοχή των χαμηλών συγκεντρώσεων. Σε μεσαίες συγκεντρώσεις (0,1–1%) αναλυτών, η ακρίβεια και των δύο μεθόδων είναι περίπου η ίδια, αλλά στην περιοχή των υψηλών συγκεντρώσεων, η ακρίβεια της χημικής ανάλυσης είναι, κατά κανόνα, υψηλότερη. Η μοριακή φασματική ανάλυση συνήθως δίνει μεγαλύτερη ακρίβεια προσδιορισμού από την ατομική και δεν είναι κατώτερη σε ακρίβεια από τη χημική ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις.
Η ταχύτητα της φασματικής ανάλυσης υπερβαίνει σημαντικά την ταχύτητα ανάλυσης με άλλες μεθόδους. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι η φασματική ανάλυση δεν απαιτεί προκαταρκτικό διαχωρισμό του δείγματος σε μεμονωμένα συστατικά. Επιπλέον, η ίδια η ανάλυση είναι πολύ γρήγορη. Έτσι, κατά την υποβολή αίτησης σύγχρονες μεθόδουςΦασματική Ανάλυση Προσδιορίστε με ακρίβεια πολλαπλά συστατικά σε ένα σύνθετο δείγμα μέσα σε λίγα μόνο λεπτά από την παράδοση του δείγματος στο εργαστήριο έως τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Η διάρκεια της ανάλυσης, φυσικά, αυξάνεται όταν απαιτείται προεπεξεργασία του δείγματος για να βελτιωθεί η ακρίβεια ή η ευαισθησία.
Η υψηλή ταχύτητα της φασματικής ανάλυσης συνδέεται στενά με την υψηλή παραγωγικότητά της, η οποία είναι πολύ σημαντική για τις αναλύσεις μάζας. Λόγω της υψηλής παραγωγικότητας και της χαμηλής κατανάλωσης αντιδραστηρίων και άλλων υλικών, το κόστος μιας ανάλυσης κατά τη χρήση φασματικών μεθόδων είναι συνήθως μικρό, παρά το σημαντικό αρχικό κόστος για την αγορά φασματικού αναλυτικού εξοπλισμού. Περισσότερο από αυτό, κατά κανόνα, όσο υψηλότερο είναι το αρχικό κόστος και τόσο πιο δύσκολη είναι η προκαταρκτική προετοιμασία αναλυτική μεθοδολογία, τόσο ταχύτερη και φθηνότερη είναι η απόδοση των αναλύσεων μάζας.
Ουσιαστικά, η φασματική ανάλυση είναι μια οργανική μέθοδος. Με τη χρήση σύγχρονου εξοπλισμού, ο αριθμός των επεμβάσεων που απαιτούν την παρέμβαση φασματογράφου είναι μικρός. Έχει βρεθεί ότι αυτές οι υπόλοιπες λειτουργίες μπορούν να αυτοματοποιηθούν. Έτσι, η φασματική ανάλυση καθιστά δυνατή την προσέγγιση της πλήρους αυτοματοποίησης του προσδιορισμού της χημικής σύστασης μιας ουσίας.
Η φασματική ανάλυση είναι καθολική. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό σχεδόν οποιωνδήποτε στοιχείων και ενώσεων σε μια μεγάλη ποικιλία από στερεά, υγρά και αέρια αναλυτικά αντικείμενα.
Η φασματική ανάλυση χαρακτηρίζεται από υψηλή επιλεκτικότητα. Αυτό σημαίνει ότι σχεδόν κάθε ουσία μπορεί να προσδιοριστεί ποιοτικά και ποσοτικά σε ένα σύνθετο δείγμα χωρίς να διαχωριστεί.
