Los espectros de emisión. La composición espectral de la radiación de diferentes sustancias tiene un carácter muy diverso. Sin embargo, todos los espectros se dividen en tres tipos: a) espectro continuo; b) espectro de líneas; c) espectro rayado.
A) Espectro continuo. Sólido calentado y cuerpos líquidos y los gases (a alta presión) emiten luz, cuya descomposición da un espectro continuo en el que los colores espectrales se transforman continuamente unos en otros. La naturaleza del espectro continuo y el hecho mismo de su existencia están determinados no solo por las propiedades de los átomos emisores individuales, sino también por la interacción de los átomos entre sí. Los espectros continuos son los mismos para diferentes sustancias y, por lo tanto, no pueden usarse para determinar la composición de una sustancia.
b) Espectro lineal (atómico). Los átomos excitados de gases o vapores enrarecidos emiten luz, cuya descomposición da un espectro de líneas que consta de líneas de colores individuales. Cada elemento químico tiene un espectro de líneas característico. Los átomos de tales sustancias no interactúan entre sí y emiten luz solo en determinadas longitudes de onda. Los átomos aislados de un elemento químico determinado emiten longitudes de onda estrictamente definidas. Esto nos permite juzgar la composición química de la fuente de luz a partir de las líneas espectrales.
V) Espectro molecular (en bandas) El espectro de una molécula consta de una gran cantidad de líneas individuales que se fusionan en franjas, claras en un extremo y borrosas en el otro. A diferencia de los espectros lineales, los espectros rayados no son creados por átomos, sino por moléculas que no están unidas o están débilmente unidas entre sí. Series de líneas muy cercanas se agrupan en partes separadas del espectro y ocupan bandas enteras. En 1860, los científicos alemanes G. Kirchhoff y R. Bunsen, al estudiar los espectros de los metales, establecieron los siguientes hechos:
1) cada metal tiene su propio espectro;
2) el espectro de cada metal es estrictamente constante;
3) la introducción de cualquier sal del mismo metal en la llama del quemador conduce siempre a la aparición del mismo espectro;
4) cuando se introduce en la llama una mezcla de sales de varios metales, todas sus líneas aparecen simultáneamente en el espectro;
5) el brillo de las líneas espectrales depende de la concentración del elemento en una sustancia determinada.
Espectro de absorción. Si la luz blanca de una fuente que produce un espectro continuo pasa a través del vapor de la sustancia en estudio y luego se descompone en un espectro, entonces, en el contexto del espectro continuo, se observan líneas de absorción oscuras en los mismos lugares donde se encuentran las líneas de emisión. Se ubicaría el espectro del vapor del elemento en estudio. Estos espectros se denominan espectros de absorción atómica.
Todas las sustancias cuyos átomos se encuentran en estado excitado emiten ondas de luz, cuya energía se distribuye de cierta manera en longitudes de onda. La absorción de luz por una sustancia también depende de la longitud de onda. Los átomos absorben radiación sólo en aquellas longitudes de onda que pueden emitir a una temperatura determinada.
Análisis espectral. El fenómeno de la dispersión se utiliza en ciencia y tecnología como un método para determinar la composición de una sustancia, llamado análisis espectral. Este método se basa en el estudio de la luz emitida o absorbida por una sustancia. Análisis espectral es un método para estudiar la composición química de una sustancia basado en el estudio de sus espectros.
Dispositivos espectrales. Los aparatos espectrales se utilizan para obtener y estudiar espectros. Los dispositivos espectrales más simples son un prisma y una rejilla de difracción. Los más precisos son un espectroscopio y un espectrógrafo.
Espectroscopio es un dispositivo que se utiliza para examinar visualmente la composición espectral de la luz emitida por una determinada fuente. Si el espectro se registra en una placa fotográfica, entonces el dispositivo se llama espectrógrafo.
Aplicación del análisis espectral.. Los espectros lineales desempeñan un papel particularmente importante porque su estructura está directamente relacionada con la estructura del átomo. Después de todo, estos espectros son creados por átomos que no experimentan Influencias externas. La composición de mezclas complejas, principalmente orgánicas, se analiza mediante sus espectros moleculares.
Mediante el análisis espectral es posible detectar un elemento determinado en la composición de una sustancia compleja, incluso si su masa no supera los 10 -10 g. Las líneas inherentes a un elemento determinado permiten juzgar cualitativamente su presencia. El brillo de las líneas permite (sujeto a condiciones de excitación estándar) juzgar cuantitativamente la presencia de un elemento en particular.
El análisis espectral también se puede realizar mediante espectros de absorción. En astrofísica, muchas características físicas de los objetos se pueden determinar a partir de espectros: temperatura, presión, velocidad de movimiento, inducción magnética, etc. mediante análisis espectral se determinan composición química menas y minerales.
Las principales áreas de aplicación del análisis espectral son: investigación física y química; ingeniería mecánica, metalurgia; industria nuclear; astronomía, astrofísica; forense.
Tecnologías modernas para crear lo último. materiales de construcción(metal-plástico, plástico) están directamente relacionados con ciencias fundamentales como la química y la física. Usos de la ciencia de datos métodos modernos investigación de sustancias. Por tanto, el análisis espectral se puede utilizar para determinar la composición química de los materiales de construcción a partir de sus espectros.
No hace mucho, el camarada Makeman describió cómo, mediante el análisis espectral, se puede descomponer una determinada señal de audio en sus notas constituyentes. Abstraigamos un poco el sonido y supongamos que tenemos alguna señal digitalizada, cuya composición espectral queremos determinar con bastante precisión.
debajo del corte breve reseña un método para extraer armónicos de una señal arbitraria mediante heterodinación digital y un poco de magia especial de Fourier.
¿Entonces que tenemos?
Archivo con muestras de una señal digitalizada. Se sabe que la señal es una suma de sinusoides con sus propias frecuencias, amplitudes y fases iniciales, y posiblemente ruido blanco.
Qué hacemos.
Utilice el análisis espectral para determinar:
Resolveremos este problema en Java.
En la práctica de la ingeniería, la expansión de funciones periódicas en series de Fourier se usa ampliamente, por ejemplo, en problemas de teoría de circuitos: un efecto de entrada no sinusoidal se expande a la suma de sinusoidales y los parámetros necesarios del circuito se calculan, por ejemplo, usando El método de superposición.
Hay varias opciones posibles para escribir los coeficientes de la serie de Fourier, pero solo necesitamos conocer la esencia.
La expansión en serie de Fourier le permite expandir una función continua a una suma de otras funciones continuas. Y en general, la serie tendrá un número infinito de términos.
Una mejora adicional del enfoque de Fourier es la transformación integral de su nombre. Transformada de Fourier
.
A diferencia de la serie de Fourier, la transformada de Fourier expande una función no en frecuencias discretas (el conjunto de frecuencias de la serie de Fourier para las cuales la expansión es, en términos generales, discreta), sino en frecuencias continuas.
Echemos un vistazo a cómo se relacionan los coeficientes de la serie de Fourier con el resultado de la transformada de Fourier, llamada, de hecho, espectro
.
Una pequeña digresión: el espectro de la transformada de Fourier es, en general, una función compleja que describe amplitudes complejas
armónicos correspondientes. Es decir, los valores del espectro son números complejos cuyos módulos son las amplitudes de las frecuencias correspondientes, y los argumentos son las correspondientes fases iniciales. En la práctica, se consideran por separado. espectro de amplitud
Y espectro de fase
.
Arroz. 1. Correspondencia entre la serie de Fourier y la transformada de Fourier tomando como ejemplo el espectro de amplitud.
Es fácil ver que los coeficientes de la serie de Fourier no son más que los valores de la transformada de Fourier en tiempos discretos.
Sin embargo, la transformada de Fourier compara una función infinita y continua en el tiempo con otra función infinita y continua en frecuencia: el espectro. ¿Qué pasa si no tenemos una función que sea infinita en el tiempo, sino sólo una parte de ella que esté registrada y sea discreta en el tiempo? La respuesta a esta pregunta viene dada por el mayor desarrollo de la transformada de Fourier: transformada discreta de Fourier (DFT) .
La transformada discreta de Fourier está diseñada para solucionar el problema de la necesidad de continuidad e infinito en el tiempo de la señal. Esencialmente, creemos que hemos cortado una parte de la señal infinita, y el resto del dominio del tiempo consideramos que esta señal es cero.
Matemáticamente, esto significa que, teniendo una función f(t) que es infinita en el tiempo, la multiplicamos por alguna función ventana w(t), que desaparece en todas partes excepto en el intervalo de tiempo que nos interesa.
Si la “salida” de la transformada de Fourier clásica es un espectro, una función, entonces la “salida” de la transformada de Fourier discreta es un espectro discreto. Y también se suministran a la entrada muestras de una señal discreta.
El resto de propiedades de la transformada de Fourier no cambian: puede leer sobre ellas en la literatura pertinente.
Sólo necesitamos conocer la transformada de Fourier de la señal sinusoidal, que intentaremos encontrar en nuestro espectro. En general, se trata de un par de funciones delta que son simétricas con respecto a la frecuencia cero en el dominio de la frecuencia.
Arroz. 2. Espectro de amplitud de una señal sinusoidal.
Ya he mencionado que, en términos generales, no estamos considerando la función original, sino algún producto de ella con la función de ventana. Entonces, si el espectro de la función original es F(w), y la función ventana es W(w), entonces el espectro del producto será una operación tan desagradable como la convolución de estos dos espectros (F*W)( w) (Teorema de convolución).
En la práctica, esto significa que en lugar de una función delta, veremos algo como esto en el espectro:
Arroz. 3. Efecto de dispersión del espectro.
Este efecto también se llama expansión del espectro
(ing. fuga espectral). Y el ruido que aparece debido a la expansión del espectro, en consecuencia, lóbulos laterales
(lóbulos laterales en inglés).
Para combatir los lóbulos laterales se utilizan otras funciones de ventana no rectangulares. La principal característica de la "eficiencia" de una función de ventana es nivel del lóbulo lateral
(dB). A continuación se proporciona una tabla resumen de los niveles de lóbulos laterales para algunas funciones de ventana comúnmente utilizadas.
El principal problema en nuestro problema es que los lóbulos laterales pueden enmascarar otros armónicos que se encuentran cerca.
Arroz. 4. Separar espectros armónicos.
Se puede ver que al sumar los espectros dados, los armónicos más débiles parecen disolverse en los más fuertes.
Arroz. 5. Sólo un armónico es claramente visible. No es bueno.
Otro enfoque para combatir la dispersión del espectro es restar de la señal los armónicos que crean esta dispersión.
Es decir, una vez establecidas la amplitud, frecuencia y fase inicial del armónico, podemos restarlo de la señal, al mismo tiempo que eliminamos la “función delta” que le corresponde, y con ella los lóbulos laterales que genera. Otra pregunta es cómo conocer con precisión los parámetros del armónico deseado. No basta con tomar los datos necesarios de la amplitud compleja. Las amplitudes espectrales complejas se forman en frecuencias enteras; sin embargo, nada impide que un armónico tenga una frecuencia fraccionaria. En este caso, la amplitud compleja parece desdibujarse entre dos frecuencias adyacentes y no se puede establecer su frecuencia exacta, como otros parámetros.
Para establecer la frecuencia exacta y la amplitud compleja del armónico deseado, utilizaremos una técnica ampliamente utilizada en muchas ramas de la práctica de la ingeniería: heterodina .
Veamos qué pasa si multiplicamos la señal de entrada por el armónico complejo Exp(I*w*t). El espectro de la señal se desplazará una cantidad w hacia la derecha.
Aprovecharemos esta propiedad desplazando el espectro de nuestra señal hacia la derecha hasta que el armónico recuerde aún más a la función delta (es decir, hasta que alguna relación señal-ruido local alcance un máximo). Luego podremos calcular la frecuencia exacta del armónico deseado, como w 0 – w het, y restarla de la señal original para suprimir el efecto de dispersión del espectro.
A continuación se muestra una ilustración de la variación del espectro dependiendo de la frecuencia del oscilador local.
Arroz. 6. Tipo de espectro de amplitud en función de la frecuencia del oscilador local.
Repetiremos los procedimientos descritos hasta que eliminemos todos los armónicos presentes y el espectro no nos recuerde al espectro del ruido blanco.
Luego, necesitamos estimar la desviación estándar del ruido blanco. Aquí no hay trucos: simplemente puedes usar la fórmula para calcular la desviación estándar:
1. Buscamos un pico global en el espectro de amplitud, por encima de un cierto umbral k.
1.1 Si no lo has encontrado, terminemos
2. Al variar la frecuencia del oscilador local, buscamos un valor de frecuencia en el que se alcanzará el máximo de una determinada relación señal-ruido local en una determinada vecindad del pico.
3. Si es necesario, redondee los valores de amplitud y fase.
4. Reste de la señal un armónico con la frecuencia, amplitud y fase encontradas menos la frecuencia del oscilador local.
5. Ir al punto 1.
El algoritmo no es complicado y la única pregunta que surge es ¿dónde obtener los valores umbral por encima de los cuales buscaremos armónicos?
Para responder a esta pregunta, se debe evaluar el nivel de ruido antes de eliminar los armónicos.
Construyamos una función de distribución (hola, estadística matemática), donde el eje de abscisas será la amplitud de los armónicos, y el eje de ordenadas será el número de armónicos que no excedan en amplitud este mismo valor del argumento. Un ejemplo de una función construida de este tipo:
Arroz. 7. Función de distribución armónica.
Ahora también construiremos una función: la densidad de distribución. Es decir, los valores de diferencias finitas de la función de distribución.
Arroz. 8. Densidad de la función de distribución armónica.
La abscisa de la densidad de distribución máxima es la amplitud del armónico que aparece en el espectro el mayor número de veces. Alejémonos un poco del pico hacia la derecha y consideremos la abscisa de este punto como una estimación del nivel de ruido en nuestro espectro. Ahora puedes automatizarlo.
Mire un fragmento de código que detecta armónicos en una señal
Lista de matrices pública
El análisis espectral es uno de los métodos físicos más importantes para estudiar sustancias. Diseñado para determinar la composición cualitativa y cuantitativa de una sustancia en función de su espectro.
Los químicos saben desde hace mucho tiempo que los compuestos de ciertos elementos químicos, si se añaden a una llama, le dan colores característicos. Así, las sales de sodio hacen que la llama sea amarilla y los compuestos de boro la hacen verde. El color de una sustancia se produce cuando emite ondas de cierta longitud o las absorbe del espectro completo de la luz blanca que incide sobre ella. En el segundo caso, el color. visible al ojo, resulta no corresponder a estas ondas absorbidas, sino a otras, adicionales, que dan luz blanca cuando se les agrega.
Estos patrones, establecidos a principios del siglo pasado, se generalizaron en 1859-1861. Los científicos alemanes G. Kirchhoff y R. Bunsen, quienes demostraron que cada elemento químico tiene su propio espectro característico. Esto hizo posible crear un tipo de análisis elemental: el análisis espectral atómico, con el que es posible determinar cuantitativamente el contenido. varios elementos en una muestra de una sustancia descompuesta en átomos o iones en una llama o arco eléctrico. Incluso antes de la creación de una versión cuantitativa de este método, se utilizó con éxito para el "análisis elemental" de los cuerpos celestes. El análisis espectral ya en el siglo pasado ayudó a estudiar la composición del Sol y otras estrellas, así como a descubrir algunos elementos, en particular el helio.
Con la ayuda del análisis espectral fue posible distinguir no sólo diferentes elementos químicos, sino también isótopos de un mismo elemento, que normalmente dan espectros diferentes. El método se utiliza para analizar la composición isotópica de sustancias y se basa en diferentes cambios en los niveles de energía de moléculas con diferentes isótopos.
Los rayos X, que llevan el nombre del físico alemán W. Roentgen, que los descubrió en 1895, son una de las partes de longitud de onda más corta del espectro completo de ondas electromagnéticas, situadas en él entre la luz ultravioleta y la radiación gamma. Cuando los átomos absorben los rayos X, se excitan los electrones profundos ubicados cerca del núcleo y unidos a él con especial fuerza. La emisión de rayos X por los átomos, por el contrario, está asociada con transiciones de electrones profundos desde niveles de energía excitados a niveles de energía ordinarios y estacionarios.
Ambos niveles sólo pueden tener energías estrictamente definidas, dependiendo de la carga del núcleo atómico. Esto significa que la diferencia entre estas energías, igual a la energía del cuanto absorbido (o emitido), también depende de la carga del núcleo, y la radiación de cada elemento químico en la región de rayos X del espectro es un conjunto de ondas características de este elemento con frecuencias de vibración estrictamente definidas.
El análisis espectral de rayos X, un tipo de análisis elemental, se basa en el uso de este fenómeno. Es ampliamente utilizado para el análisis de menas, minerales, así como complejos inorgánicos y elementales. compuestos orgánicos.
Existen otros tipos de espectroscopia que no se basan en la radiación, sino en la absorción de ondas de luz por la materia. Los llamados espectros moleculares se observan, por regla general, cuando soluciones de sustancias absorben luz visible, ultravioleta o infrarroja; En este caso, no se produce ninguna descomposición de moléculas. Si la luz visible o ultravioleta suele actuar sobre los electrones, haciendo que se eleven a nuevos niveles de energía excitados (ver Átomo), entonces los rayos infrarrojos (térmicos), que transportan menos energía, excitan sólo vibraciones de átomos interconectados. Por tanto, la información que estos tipos de espectroscopia proporcionan a los químicos es diferente. Si a partir del espectro infrarrojo (vibracional) se aprende sobre la presencia de ciertos grupos de átomos en una sustancia, entonces los espectros en la región ultravioleta (y para las sustancias coloreadas, en la visible) transmiten información sobre la estructura del grupo absorbente de luz como entero.
Entre los compuestos orgánicos, la base de tales grupos suele ser un sistema de enlaces insaturados (ver Hidrocarburos insaturados). Cuantos más enlaces dobles o triples haya en una molécula, alternándose con enlaces simples (en otras palabras, cuanto más larga sea la cadena de conjugación), más fácil se excitarán los electrones.
Los métodos de espectroscopia molecular se utilizan no solo para determinar la estructura de las moléculas, sino también para medir con precisión la cantidad. sustancia conocida en solución. Para ello son especialmente convenientes los espectros en la región ultravioleta o visible. Las bandas de absorción en esta región generalmente se observan a una concentración de soluto del orden de centésimas e incluso milésimas de porcentaje. Un caso especial de esta aplicación de la espectroscopia es el método de colorimetría, que se utiliza ampliamente para medir la concentración de compuestos coloreados.
Los átomos de algunas sustancias también son capaces de absorber ondas de radio. Esta capacidad se manifiesta cuando una sustancia se coloca en el campo de un potente imán permanente. Muchos núcleos atómicos tienen su propio momento magnético: el espín, y en un campo magnético los núcleos con una orientación de espín desigual resultan ser energéticamente "desiguales". Aquellos cuyo sentido de giro coincide con el sentido del giro superpuesto. campo magnético, caer en más posición ventajosa, y otras orientaciones comienzan a desempeñar el papel de "estados excitados" en relación con ellos. Esto no significa que un núcleo en un estado de espín favorable no pueda pasar a un estado "excitado"; la diferencia en las energías de los estados de espín es muy pequeña, pero aún así el porcentaje de núcleos en un estado energético desfavorable es relativamente pequeño. Y cuanto más potente es el campo aplicado, más pequeño es. Los núcleos parecen oscilar entre dos estados energéticos. Y dado que la frecuencia de tales oscilaciones corresponde a la frecuencia de las ondas de radio, la resonancia también es posible: la absorción de energía alterna. campo electromagnetico con la frecuencia adecuada, lo que lleva a fuerte aumento Número de núcleos en estado excitado.
Ésta es la base del trabajo de los espectrómetros nucleares. resonancia magnetica(RMN), capaz de detectar la presencia en una sustancia de aquellos núcleos atómicos cuyo espín es igual a 1/2: hidrógeno 1H, litio 7Li, flúor 19F, fósforo 31P, así como isótopos de carbono 13C, nitrógeno 15N, oxígeno 17O. , etc.
La sensibilidad de estos dispositivos es mayor cuanto más potentes son. imán permanente. La frecuencia de resonancia necesaria para excitar los núcleos también aumenta en proporción a la intensidad del campo magnético. Sirve como medida de la clase del dispositivo. Los espectrómetros de clase media funcionan a una frecuencia de 60 a 90 MHz (al registrar espectros de protones); los más fríos, a una frecuencia de 180, 360 e incluso 600 MHz.
Los espectrómetros de alta gama, instrumentos muy precisos y complejos, permiten no sólo detectar y medir cuantitativamente el contenido de un elemento en particular, sino también distinguir las señales de los átomos que ocupan posiciones químicamente "desiguales" en la molécula. Y al estudiar la llamada interacción espín-espín, que conduce a la división de señales en grupos de líneas estrechas bajo la influencia del campo magnético de los núcleos vecinos, se pueden aprender muchas cosas interesantes sobre los átomos que rodean el núcleo bajo estudiar. La espectroscopia de RMN permite obtener del 70 al 100% de la información necesaria, por ejemplo, para establecer la estructura de un compuesto orgánico complejo.
Otro tipo de radioespectroscopia, la resonancia paramagnética electrónica (EPR), se basa en el hecho de que no sólo los núcleos, sino también los electrones tienen un espín de 1/2. espectroscopía EPR - La mejor manera estudios de partículas con electrones desapareados: radicales libres. Al igual que los espectros de RMN, los espectros de EPR permiten aprender mucho no sólo sobre la propia partícula "señalizadora", sino también sobre la naturaleza de los átomos que la rodean. Los instrumentos de espectroscopía EPR son muy sensibles: para registrar el espectro suele ser suficiente una solución que contenga varios cientos de millonésimas de mol de radicales libres por litro. Y un dispositivo con una sensibilidad récord, creado recientemente por un grupo de científicos soviéticos, es capaz de detectar la presencia de sólo 100 radicales en una muestra, lo que corresponde a su concentración de aproximadamente 10 -18 mol/l.
Análisis espectral, un método para la determinación cualitativa y cuantitativa de la composición de sustancias, basado en el estudio de sus espectros de emisión, absorción, reflexión y luminiscencia. Distinguir entre atómico y molecular. análisis espectral, cuyas tareas son determinar, respectivamente, la composición elemental y molecular de una sustancia. Emisión análisis espectral Se lleva a cabo utilizando los espectros de emisión de átomos, iones o moléculas excitadas. diferentes caminos, absorción análisis espectral- por espectros de absorción radiación electromagnética objetos analizados (ver Espectroscopia de absorción). Dependiendo del propósito del estudio, las propiedades de la sustancia analizada, las características específicas de los espectros utilizados, la región de longitud de onda y otros factores, el curso del análisis, el equipo, los métodos para medir los espectros y las características metrológicas de los resultados varían mucho. De acuerdo a esto análisis espectral dividido en un número métodos independientes(ver en particular espectroscopia de reflectancia, espectroscopia ultravioleta, ).
A menudo bajo análisis espectral comprender únicamente el análisis espectral de emisión atómica (AESA), un método de análisis elemental basado en el estudio de los espectros de emisión de átomos e iones libres en fase gaseosa en el rango de longitud de onda de 150 a 800 nm (ver).
Se introduce una muestra de la sustancia problema en una fuente de radiación, donde se evapora, disocia las moléculas y excita los átomos (iones) resultantes. Estos últimos emiten una radiación característica que ingresa al dispositivo registrador del instrumento espectral.
En el análisis espectral cualitativo, los espectros de las muestras se comparan con los espectros de elementos conocidos que figuran en los atlas y tablas de líneas espectrales correspondientes, y así se establece la composición elemental de la sustancia analizada. En el análisis cuantitativo, la cantidad (concentración) del elemento deseado en la sustancia analizada está determinada por la dependencia de la magnitud de la señal analítica (densidad de ennegrecimiento o densidad óptica de la línea analítica en una placa fotográfica; flujo luminoso al receptor fotoeléctrico ) del elemento deseado sobre su contenido en la muestra. Esta dependencia está determinada de manera compleja por muchos factores difíciles de controlar (la composición global de las muestras, su estructura, dispersión, parámetros de la fuente de excitación de los espectros, inestabilidad de los dispositivos de grabación, propiedades de las placas fotográficas, etc.). ). Por lo tanto, como regla general, para establecerlo, se utiliza para la calibración un conjunto de muestras que, en términos de composición y estructura bruta, son lo más cercanas posible a la sustancia que se está analizando y contienen cantidades conocidas de los elementos que se están determinando. Estas muestras pueden servir como materiales metálicos especialmente preparados. aleaciones, mezclas de sustancias, soluciones, incl. y producido por la industria. Para eliminar la influencia en los resultados del análisis de las diferencias inevitables en las propiedades de las muestras analizadas y estándar, utilice diferentes técnicas; por ejemplo, comparan las líneas espectrales del elemento que se está determinando y el llamado elemento de referencia, que es similar en química y propiedades físicas a lo definido. Al analizar materiales del mismo tipo, se pueden utilizar las mismas dependencias de calibración, que se ajustan periódicamente mediante muestras de verificación.
La sensibilidad y precisión del análisis espectral dependen principalmente de las características físicas de las fuentes de radiación (excitación espectral): temperatura, concentración de electrones, tiempo de residencia de los átomos en la zona de excitación espectral, estabilidad del modo de fuente, etc. Para resolver un problema analítico específico, es necesario seleccionar una fuente de radiación adecuada, optimizar sus características utilizando varias técnicas: el uso de una atmósfera inerte, la aplicación de un campo magnético, la introducción de sustancias especiales que estabilizan la temperatura de descarga, la grado de ionización de átomos, procesos de difusión a un nivel óptimo, etc. Debido a la variedad de factores que se influyen mutuamente, a menudo se utilizan métodos de planificación matemática de experimentos.
Al analizar sólidos arco más utilizado (permanente y corriente alterna) y descargas de chispas alimentadas por generadores estabilizadores especialmente diseñados (a menudo controlados electrónicamente). También se han creado generadores universales, con cuya ayuda se obtienen descargas. diferentes tipos con parámetros variables que afectan la eficiencia de los procesos de excitación de las muestras en estudio. Una muestra sólida eléctricamente conductora puede servir directamente como electrodo de arco o chispa; Las muestras sólidas y los polvos no conductores se colocan en los huecos de los electrodos de carbono de una configuración particular. En este caso, tanto la evaporación completa (pulverización) de la sustancia analizada como la evaporación fraccionada de esta última y la excitación de los componentes de la muestra se llevan a cabo de acuerdo con sus propiedades físicas y químicas, lo que permite aumentar la sensibilidad y precisión del análisis. Para mejorar el efecto del fraccionamiento por evaporación, se utilizan ampliamente aditivos a la sustancia analizada de los reactivos, contribuyendo a la formación de compuestos altamente volátiles (fluoruros, cloruros, sulfuros, etc.) de los elementos determinados a alta temperatura [(5-7) ·10 3 K] condiciones del arco de carbón. Para el análisis de muestras geológicas en forma de polvos, se utiliza ampliamente el método de rociar o soplar muestras en la zona de descarga del arco de carbono.
Al analizar muestras metalúrgicas, junto con descargas de chispas de varios tipos, también se utilizan fuentes de luz de descarga luminiscente (lámparas Grim, descarga en cátodo hueco). Se han desarrollado fuentes automatizadas combinadas en las que se utilizan lámparas de descarga incandescente o analizadores electrotérmicos para la evaporación o pulverización catódica y, por ejemplo, plasmatrones de alta frecuencia para obtener espectros. En este caso, es posible optimizar las condiciones de evaporación y excitación de los elementos que se están determinando.
Al analizar muestras líquidas (soluciones) Mejores resultados se obtienen utilizando plasmatrones de alta frecuencia (HF) y ultra alta frecuencia (microondas) que funcionan en una atmósfera inerte, así como mediante análisis fotométrico de llama (ver). Para estabilizar la temperatura del plasma de descarga a un nivel óptimo, se introducen aditivos de sustancias fácilmente ionizables, como los metales alcalinos. Se utiliza con especial éxito una descarga de alta frecuencia con un acoplamiento inductivo de configuración toroidal (Fig. 1). Separa las zonas de absorción de energía de RF y excitación espectral, lo que permite aumentos dramáticos en la eficiencia de excitación y la útil relación señal-ruido analítica y, por lo tanto, logra límites de detección muy bajos para una amplia gama de elementos. Las muestras se introducen en la zona de excitación mediante pulverizadores neumáticos o (menos comúnmente) ultrasónicos. Cuando se analiza mediante plasmatrones de HF y microondas y fotometría de llama, la desviación estándar relativa es 0,01-0,03, lo que en algunos casos permite el uso de análisis espectral en lugar de métodos de análisis químico precisos, pero que requieren más tiempo y mano de obra.
Para analizar mezclas de gases, especiales. instalaciones de vacío; los espectros se excitan mediante descargas de RF y microondas. Debido al desarrollo de la cromatografía de gases, estos métodos rara vez se utilizan.
Arroz. 1. Plasmatrón HF: 1 soplete de gas de escape; Zona de excitación de 2 espectros; 3 zonas de absorción de energía HF; 4 inductores de calentamiento; Entrada de 5 gases refrigerantes (nitrógeno, argón); 6 entradas de gas formador de plasma (argón); 7-entrada de muestra atomizada (gas portador - argón).
Al analizar sustancias de alta pureza, cuando es necesario determinar elementos cuyo contenido sea inferior al 10 -5%, así como al analizar sustancias tóxicas y radiactivas, las muestras se pretratan; por ejemplo, los elementos que se están determinando se separan parcial o completamente de la base y se transfieren a un volumen más pequeño de solución o se agregan a una masa más pequeña de una sustancia más conveniente para el análisis. Para separar los componentes de la muestra, se utilizan destilación fraccionada de la base (con menos frecuencia impurezas), adsorción, precipitación, extracción, cromatografía e intercambio iónico. Análisis espectral utilizando los listados. metodos quimicos La concentración de la muestra suele denominarse análisis químico espectral. Las operaciones adicionales de separación y concentración de los elementos determinados aumentan significativamente la complejidad y duración del análisis y empeoran su precisión (la desviación estándar relativa alcanza valores de 0,2 a 0,3), pero reduce los límites de detección entre 10 y 100 veces.
Un área específica del análisis espectral es el análisis microespectral (local). En este caso, un microvolumen de la sustancia (profundidad del cráter de decenas a varias micras) generalmente se evapora mediante un pulso láser que actúa sobre una sección de la superficie de la muestra con un diámetro de varias decenas de micras. Para excitar los espectros, se utiliza con mayor frecuencia una descarga de chispa pulsada sincronizada con un pulso láser. El método se utiliza en el estudio de minerales y metalurgia.
Los espectros se registran mediante espectrógrafos y espectrómetros (cuantómetros). Hay muchos tipos de estos dispositivos, que se diferencian en apertura, dispersión, resolución y rango espectral de trabajo. Se necesita una gran apertura para registrar radiaciones débiles, una gran dispersión para separar líneas espectrales con longitudes de onda similares al analizar sustancias con espectros multilínea, así como para aumentar la sensibilidad del análisis. Como dispositivos de dispersión de la luz se utilizan rejillas de difracción (planas, cóncavas, roscadas, holográficas, perfiladas) con varios cientos hasta varios miles de líneas por milímetro, aunque con menor frecuencia se utilizan prismas de cuarzo o de vidrio.
Los espectrógrafos (Fig. 2), que registran espectros en placas fotográficas especiales o (con menos frecuencia) en películas fotográficas, son preferibles para el análisis espectral cualitativo, porque permitirle estudiar todo el espectro de la muestra a la vez (en el área de trabajo del dispositivo); sin embargo, también se utilizan para análisis cuantitativo debido a su bajo costo comparativo, disponibilidad y facilidad de mantenimiento. El oscurecimiento de las líneas espectrales en placas fotográficas se mide mediante microfotómetros (microdensitómetros). El uso de computadoras o microprocesadores proporciona un modo de medición automático, el procesamiento de sus resultados y la salida de los resultados del análisis final.
Figura 2. Diseño óptico del espectrógrafo: 1 rendija de entrada; espejo de 2 vueltas; espejo de 3 esferas; rejilla de 4 difracciones; Iluminación a escala de 5 luces; 6 escalas; Placa de 7 fotografías.
Arroz. 3. Diagrama cuantómetro (de 40 canales de grabación, solo se muestran tres): 1 policromador; 2 rejillas de difracción; 3 ranuras de salida; Multiplicador de 4 fotoelectrones; 5 espacios de entrada; 6 trípodes con fuentes de luz; 7 generadores de chispas y descargas de arco; Dispositivo de grabación electrónico de 8; Complejo informático de 9 controles.
Los espectrómetros realizan el registro fotoeléctrico de señales analíticas mediante tubos fotomultiplicadores (PMT) con procesamiento automático de datos en una computadora. Los policromadores fotoeléctricos multicanal (hasta 40 canales o más) en cuantómetros (Fig. 3) permiten el registro simultáneo de líneas analíticas de todos los elementos determinados proporcionados por el programa. Cuando se utilizan monocromadores de barrido, el análisis de elementos múltiples se garantiza mediante un barrido de alta velocidad en todo el espectro de acuerdo con un programa determinado.
Para determinar los elementos (C, S, P, As, etc.), cuyas líneas analíticas más intensas se encuentran en la región UV del espectro en longitudes de onda inferiores a 180-200 nm, se utilizan espectrómetros de vacío.
Cuando se utilizan medidores cuánticos, la duración del análisis está determinada en gran medida por los procedimientos de preparación del material de partida para el análisis. Se logra una reducción significativa en el tiempo de preparación de muestras automatizando las etapas que requieren más tiempo: disolución, llevar soluciones a una composición estándar, oxidación de metales, triturar y mezclar polvos, tomar muestras de una masa determinada. En muchos casos, el análisis espectral de elementos múltiples se realiza en unos pocos minutos, por ejemplo: cuando se analizan soluciones utilizando espectrómetros fotoeléctricos automatizados con plasmatrones de RF o cuando se analizan metales en el proceso de fundición con alimentación automática muestras en la fuente de radiación.
El análisis espectral fue descubierto en 1859 por Bunsen y Kirchhoff, profesores de química y física de una de las instituciones educativas más antiguas y prestigiosas de Alemania, la Universidad Ruprecht-Karl de Heidelberg. El descubrimiento de un método óptico para estudiar la composición química de los cuerpos y su estado físico contribuyó a la identificación de nuevos elementos químicos (indio, cesio, rubidio, helio, talio y galio), al surgimiento de la astrofísica y se convirtió en una especie de gran avance en diversas áreas del progreso científico y tecnológico.
El análisis espectral ha ampliado significativamente el alcance investigación científica, lo que permitió lograr definiciones más precisas de la calidad de las partículas y los átomos, comprender sus relaciones mutuas y establecer qué causa que los cuerpos emitan energía luminosa. Todo esto supuso un gran avance en el campo de la ciencia y la tecnología, ya que su mayor desarrollo es impensable sin un conocimiento claro de la composición química de las sustancias que son objeto de la actividad humana. Hoy en día ya no basta con limitarse a determinar las impurezas, sino que se imponen nuevas exigencias a los métodos de análisis de sustancias. Sí, durante la producción. materiales poliméricos La pureza ultraalta de la concentración de impurezas en los monómeros iniciales es muy importante, ya que de ello a menudo depende la calidad de los polímeros terminados.
También se exigen cada vez más el desarrollo de métodos que garanticen la precisión y la alta velocidad de análisis. Los métodos de análisis químicos no siempre son suficientes para estos fines; los fisicoquímicos y metodos fisicos determinación de la composición química. Entre ellos, el lugar principal lo ocupa el análisis espectral, que es un conjunto de métodos para la determinación cuantitativa y cualitativa de la composición del objeto considerado, basado en el estudio de los espectros de interacción entre materia y radiación. Por consiguiente, esto también incluye los espectros de ondas acústicas, la radiación electromagnética y las distribuciones de energía y masa de partículas elementales. Gracias al análisis espectral, fue posible determinar con precisión la composición química y la temperatura de una sustancia, la presencia de un campo magnético y su fuerza, velocidad de movimiento y otros parámetros. El método se basa en el estudio de la estructura de la luz emitida o absorbida por la sustancia analizada. Cuando se lanza un haz de luz específico en borde lateral De un prisma triédrico, los rayos que componen la luz blanca, cuando se refractan, crean un espectro en la pantalla, una especie de franja de arco iris en la que todos los colores se ubican siempre en un orden determinado e inmutable. La propagación de la luz se produce en forma de ondas electromagnéticas, una determinada longitud de cada una de ellas corresponde a uno de los colores de la franja del arco iris. Determinar la composición química de la materia por espectro es muy similar al método de encontrar a un delincuente mediante huellas dactilares. Los espectros de líneas, como los patrones de los dedos, se caracterizan por una individualidad única. Gracias a esto se determina la composición química. El análisis espectral permite detectar un componente específico en la composición de una sustancia compleja, cuya masa no supera 10-10. Este es un método bastante sensible. Para estudiar los espectros se utilizan espectroscopios y espectrógrafos. En el primero se examina el espectro y se fotografía con la ayuda de espectrógrafos. La imagen resultante se llama espectrograma.
La elección del método de análisis espectral depende en gran medida del propósito del análisis y de los tipos de espectros. Así, los análisis atómicos y moleculares se utilizan para determinar la composición molecular y elemental de una sustancia. En el caso de determinar la composición a partir de espectros de emisión y absorción, se utilizan métodos de emisión y absorción. Al estudiar la composición isotópica de un objeto, utilizamos análisis espectrométricos de masas, realizados utilizando espectros de masas de iones moleculares o atómicos.
El análisis espectral determina la composición elemental y molecular de una sustancia, lo que permite realizar un descubrimiento cualitativo. elementos individuales de la muestra problema, así como obtener una determinación cuantitativa de sus concentraciones. Parientes cercanos propiedades químicas Las sustancias son muy difíciles de analizar. metodos quimicos, pero se pueden determinar espectralmente sin problemas. Se trata, por ejemplo, de mezclas de tierras raras o gases inertes. Actualmente se han determinado los espectros de todos los átomos y se han elaborado sus tablas.
Los métodos mejor desarrollados para el análisis espectral atómico. Se utilizan para evaluar una amplia variedad de objetos en geología, astrofísica, metalurgia ferrosa y no ferrosa, química, biología, ingeniería mecánica y otras ramas de la ciencia y la industria. Recientemente, el volumen ha ido aumentando. aplicación práctica y análisis espectral molecular. Sus métodos se utilizan en las industrias química, químico-farmacéutica y de refinación de petróleo para el estudio de sustancias orgánicas y, con menos frecuencia, para compuestos inorgánicos.
El análisis espectral se utiliza ampliamente en medicina. Se utiliza para determinar sustancias extrañas en el cuerpo humano y diagnosticar, incluido el cáncer, en una etapa temprana de su desarrollo. La presencia o ausencia de muchas enfermedades puede determinarse mediante análisis de laboratorio sangre. Más a menudo se trata de enfermedades del tracto gastrointestinal y del tracto genitourinario. El número de enfermedades que determina un análisis de sangre espectral está aumentando gradualmente. Este método proporciona la mayor alta precisión al detectar cambios bioquímicos en la sangre en caso de mal funcionamiento de cualquier órgano humano. durante el estudio dispositivos especiales Se registran los espectros de absorción infrarroja resultantes del movimiento vibratorio de las moléculas del suero sanguíneo y se determinan posibles desviaciones en su composición molecular. El análisis espectral también comprueba la composición mineral del cuerpo. Material para la investigación en en este caso el pelo sirve. Cualquier desequilibrio, deficiencia o exceso de minerales a menudo se asocia con una serie de enfermedades, como enfermedades de la sangre, la piel, el sistema cardiovascular, digestivo, alergias, trastornos del desarrollo y crecimiento en los niños, disminución de la inmunidad, fatiga y debilidad. Tipos similares Los análisis se consideran los últimos avances. métodos de laboratorio diagnóstico
El análisis espectral hoy ha encontrado aplicación en casi todas las áreas más importantes. actividad humana: en industria, medicina, medicina forense y otras industrias. Él es el aspecto más importante desarrollo del progreso científico, así como el nivel y la calidad de la vida humana.
