Análisis espectral
Análisis espectral- un conjunto de métodos para la determinación cualitativa y cuantitativa de la composición de un objeto, basados en el estudio de los espectros de interacción de la materia con la radiación, incluidos los espectros de radiación electromagnética, ondas acústicas, distribución de masas y energías de partículas elementales, etc.
Dependiendo de los objetivos del análisis y de los tipos de espectros, se distinguen varios métodos de análisis espectral. Atómico Y molecular Los análisis espectrales permiten determinar la composición elemental y molecular de una sustancia, respectivamente. En los métodos de emisión y absorción, la composición se determina a partir de los espectros de emisión y absorción.
El análisis espectrométrico de masas se lleva a cabo utilizando espectros de masas de iones atómicos o moleculares y permite determinar la composición isotópica de un objeto.
Las líneas oscuras en las franjas espectrales se han observado desde hace mucho tiempo, pero el primer estudio serio de estas líneas no fue realizado hasta 1814 por Joseph Fraunhofer. En su honor, el efecto se denominó “líneas de Fraunhofer”. Fraunhofer estableció la estabilidad de las posiciones de las líneas, compiló una tabla de ellas (contó 574 líneas en total) y asignó un código alfanumérico a cada una. No menos importante fue su conclusión de que las líneas no están asociadas ni con el material óptico ni con el atmósfera terrestre, pero son una característica natural luz de sol. Encontró líneas similares en fuentes artificiales luz, así como en los espectros de Venus y Sirio.
Pronto quedó claro que una de las líneas más claras siempre aparecía en presencia de sodio. En 1859, G. Kirchhoff y R. Bunsen, después de una serie de experimentos, concluyeron: cada elemento químico tiene su propio espectro lineal único, y del espectro de los cuerpos celestes se pueden sacar conclusiones sobre la composición de su sustancia. A partir de ese momento apareció la ciencia. análisis espectral, un poderoso método de detección remota composición química.
Para probar el método, en 1868 la Academia de Ciencias de París organizó una expedición a la India, donde se avecinaba un eclipse solar total. Allí, los científicos descubrieron: todas las líneas oscuras en el momento del eclipse, cuando el espectro de emisión reemplazó al espectro de absorción de la corona solar, se volvieron, como se predijo, brillantes sobre un fondo oscuro.
Poco a poco se fue aclarando la naturaleza de cada una de las líneas y su conexión con los elementos químicos. En 1860, Kirchhoff y Bunsen descubrieron el cesio mediante análisis espectral y, en 1861, el rubidio. Y el helio fue descubierto en el Sol 27 años antes que en la Tierra (1868 y 1895, respectivamente).
Los átomos de cada elemento químico tienen frecuencias de resonancia estrictamente definidas, por lo que es a estas frecuencias que emiten o absorben luz. Esto lleva al hecho de que en un espectroscopio, las líneas (claras o oscuras) son visibles en los espectros en ciertos lugares característicos de cada sustancia. La intensidad de las líneas depende de la cantidad de sustancia y de su estado. En el análisis espectral cuantitativo, el contenido de la sustancia en estudio está determinado por las intensidades relativas o absolutas de las líneas o bandas del espectro.
El análisis espectral óptico se caracteriza por una relativa facilidad de implementación, la ausencia de una preparación compleja de la muestra para el análisis y una pequeña cantidad de sustancia (10-30 mg) necesaria para el análisis de una gran cantidad de elementos.
Los espectros atómicos (absorción o emisión) se obtienen transfiriendo la sustancia a un estado de vapor calentando la muestra a 1000-10000 °C. Las chispas y los arcos se utilizan como fuentes de excitación de átomos en el análisis de emisiones de materiales conductores. corriente alterna; en este caso, la muestra se coloca en el cráter de uno de los electrodos de carbono. Para analizar soluciones se utilizan ampliamente llamas o plasmas de diversos gases.
EN Últimamente, los más difundidos son los métodos de análisis espectral espectrométricos de emisión y masas, basados en la excitación de átomos y su ionización en plasma de argón de descargas de inducción, así como en una chispa láser.
El análisis espectral es un método sensible y ampliamente utilizado en Química analítica, astrofísica, metalurgia, ingeniería mecánica, exploración geológica y otras ramas de la ciencia.
En la teoría del procesamiento de señales, el análisis espectral también significa el análisis de la distribución de energía de una señal (por ejemplo, audio) en frecuencias, números de onda, etc.
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El análisis espectral se divide en varios métodos independientes. Entre ellos se encuentran: espectroscopia infrarroja y ultravioleta, absorción atómica, análisis de luminiscencia y fluorescencia, espectroscopia de reflexión y Raman, espectrofotometría, espectroscopia de rayos X, así como muchos otros métodos.
El análisis espectral de absorción se basa en el estudio de los espectros de absorción de la radiación electromagnética. El análisis espectral de emisión se realiza utilizando los espectros de emisión de átomos, moléculas o iones excitados. diferentes caminos.
El análisis espectral a menudo se denomina únicamente análisis espectral de emisión atómica, que se basa en el estudio de los espectros de emisión de átomos e iones libres en la fase gaseosa. Se realiza en el rango de longitudes de onda de 150 a 800 nm. Se introduce una muestra de la sustancia en estudio en la fuente de radiación, después de lo cual se produce en ella la evaporación y disociación de las moléculas, así como la excitación de los iones resultantes. Emiten radiación, que es registrada por el dispositivo registrador del instrumento espectral.
Los espectros de las muestras se comparan con los espectros de elementos conocidos, que se pueden encontrar en las correspondientes tablas de líneas espectrales. Así se determina la composición de la sustancia analizada. El análisis cuantitativo implica la concentración de un elemento determinado en el analito. Se reconoce por la magnitud de la señal, por ejemplo, por el grado de ennegrecimiento o la densidad óptica de las líneas en una placa fotográfica, o por la intensidad del flujo luminoso en un receptor fotoeléctrico.
Las sustancias en estado sólido o líquido, así como los gases densos, proporcionan un espectro continuo de radiación. En dicho espectro no hay interrupciones, en él están representadas ondas de todas las longitudes. Su carácter depende no sólo de las propiedades de los átomos individuales, sino también de su interacción entre sí.
Un espectro de emisión lineal es característico de las sustancias en estado gaseoso, mientras que los átomos casi no interactúan entre sí. El hecho es que los átomos aislados de un elemento químico emiten ondas de una longitud de onda estrictamente definida.
A medida que aumenta la densidad del gas, las líneas espectrales comienzan a ampliarse. Para observar dicho espectro, se utiliza el brillo de una descarga de gas en un tubo o el vapor de una sustancia en una llama. Si la luz blanca pasa a través de un gas que no emite, aparecerán líneas oscuras en el espectro de absorción en el contexto del espectro continuo de la fuente. El gas absorbe más intensamente la luz de aquellas longitudes de onda que emite cuando se calienta.
Ministerio de Educación y Ciencia
República de Kazajstán
Karagandá Universidad Estatal
lleva el nombre de E.A. Buketova
Facultad de Física
Departamento de Óptica y Espectroscopia
sobre el tema de:
Espectros. CON Análisis espectral y su aplicación.
Preparado por:
estudiante del grupo FTRF-22
Akhtariev Dmitry.
Comprobado:
maestro
Kusenova Asia Sabirgalievna
Karagandá - 2003 Plan
Introducción
1. Energía en el espectro
2. Tipos de espectros
3. Análisis espectral y su aplicación
4. Dispositivos espectrales
5. Espectro de radiación electromagnética
Conclusión
Lista de literatura usada
Introducción
El estudio del espectro lineal de una sustancia nos permite determinar en qué elementos químicos se compone y en qué cantidad cada elemento está contenido en una sustancia determinada.
El contenido cuantitativo de un elemento en la muestra en estudio se determina comparando la intensidad de las líneas individuales en el espectro de este elemento con la intensidad de las líneas de otro elemento químico, cuyo contenido cuantitativo se conoce en la muestra.
El método para determinar la composición cualitativa y cuantitativa de una sustancia a partir de su espectro se llama análisis espectral. El análisis espectral se utiliza ampliamente en la exploración minera para determinar la composición química de las muestras de mineral. En la industria, el análisis espectral permite controlar la composición de aleaciones e impurezas introducidas en los metales para obtener materiales con propiedades específicas.
Las ventajas del análisis espectral son la alta sensibilidad y la velocidad de obtención de resultados. Mediante el análisis espectral es posible detectar la presencia de oro en una muestra que pesa 6 * 10 -7 g y su masa es de sólo 10 -8 g. La determinación de la calidad del acero mediante el método de análisis espectral se puede realizar en unos pocos decenas de segundos.
El análisis espectral permite determinar la composición química de los cuerpos celestes ubicados a distancias de miles de millones de años luz de la Tierra. La composición química de las atmósferas de los planetas y las estrellas, el gas frío en el espacio interestelar, se determina a partir de espectros de absorción.
Al estudiar los espectros, los científicos pudieron determinar no sólo la composición química de los cuerpos celestes, sino también su temperatura. Mediante el desplazamiento de las líneas espectrales se puede determinar la velocidad de movimiento de un cuerpo celeste.
Energía en el espectro.
La fuente de luz debe consumir energía. La luz son ondas electromagnéticas con una longitud de onda de 4*10 -7 - 8*10 -7 m Las ondas electromagnéticas se emiten por el movimiento acelerado de partículas cargadas. Estas partículas cargadas son parte de los átomos. Pero sin saber cómo está estructurado el átomo, no se puede decir nada fiable sobre el mecanismo de radiación. Sólo está claro que no hay luz dentro de un átomo, del mismo modo que no hay sonido en la cuerda de un piano. Como una cuerda que empieza a sonar sólo después de ser golpeada por un martillo, los átomos dan luz a la luz sólo después de ser excitados.
Para que un átomo comience a irradiar, se le debe transferir energía. Al emitir, un átomo pierde la energía que recibe, y para el brillo continuo de una sustancia es necesario un influjo de energía a sus átomos desde el exterior.
Radiación termal. El tipo de radiación más simple y común es la radiación térmica, en la que la energía que pierden los átomos para emitir luz se compensa con energía. movimiento térmicoátomos o (moléculas) del cuerpo radiante. Cuanto mayor es la temperatura corporal, más rápido se mueven los átomos. Cuando los átomos rápidos (moléculas) chocan entre sí, parte de su energía cinética se convierte en energía de excitación de los átomos, que luego emiten luz.
La fuente térmica de radiación es el Sol, así como una lámpara incandescente común. La lámpara es una fuente muy conveniente pero económica. Sólo alrededor del 12% de la energía total liberada en la lámpara. descarga eléctrica, se convierte en energía luminosa. La fuente térmica de luz es una llama. Los granos de hollín se calientan debido a la energía liberada durante la combustión del combustible y emiten luz.
Electroluminiscencia. La energía que necesitan los átomos para emitir luz también puede provenir de fuentes no térmicas. Durante la descarga en gases campo eléctrico imparte mayor energía cinética a los electrones. Los electrones rápidos experimentan colisiones con los átomos. Parte de la energía cinética de los electrones se destina a excitar los átomos. Los átomos excitados liberan energía en forma de ondas de luz. Debido a esto, la descarga del gas va acompañada de un resplandor. Esto es electroluminiscencia.
Catodoluminiscencia. El brillo de los sólidos provocado por el bombardeo de electrones se llama catodoluminiscencia. Gracias a la catodoluminiscencia, las pantallas de los tubos de rayos catódicos de los televisores brillan.
Quimioluminiscencia. Para algunos reacciones químicas, junto con la liberación de energía, parte de esta energía se gasta directamente en la emisión de luz. La fuente de luz permanece fría (tiene una temperatura ambiente). Este fenómeno se llama quimioluminiscencia.
Fotoluminiscencia. La luz que incide sobre una sustancia se refleja parcialmente y se absorbe parcialmente. La energía de la luz absorbida en la mayoría de los casos sólo provoca el calentamiento de los cuerpos. Sin embargo, algunos cuerpos comienzan a brillar directamente bajo la influencia de la radiación que incide sobre ellos. Esto es fotoluminiscencia. La luz excita los átomos de una sustancia (aumenta su energía interna), tras lo cual ellos mismos se iluminan. Por ejemplo, las pinturas luminosas que cubren muchos adornos para árboles de Navidad emiten luz después de ser irradiadas.
La luz emitida durante la fotoluminiscencia suele tener una longitud de onda más larga que la luz que excita el resplandor. Esto se puede observar experimentalmente. Si se dirige un haz de luz pasado a través de un filtro violeta a un recipiente con fluoresceita (un tinte orgánico), este líquido comienza a brillar con una luz verde-amarilla, es decir, una luz de longitud de onda más larga que la luz violeta.
El fenómeno de la fotoluminiscencia se utiliza mucho en las lámparas fluorescentes. El físico soviético S.I. Vavilov propuso cubrir superficie interior Tubo de descarga con sustancias capaces de brillar intensamente bajo la acción de la radiación de onda corta de una descarga de gas. Las lámparas fluorescentes son aproximadamente de tres a cuatro veces más económicas que las lámparas incandescentes convencionales.
Se enumeran los principales tipos de radiación y las fuentes que las crean. Las fuentes de radiación más comunes son las térmicas.
Distribución de energía en el espectro. Ninguna de las fuentes produce luz monocromática, es decir, luz de una longitud de onda estrictamente definida. De ello estamos convencidos mediante experimentos sobre la descomposición de la luz en un espectro utilizando un prisma, así como experimentos sobre interferencia y difracción.
La energía que la luz transporta desde la fuente se distribuye de cierta forma entre las ondas de todas las longitudes que forman el haz de luz. También podemos decir que la energía se distribuye en frecuencias, ya que existe una relación simple entre longitud de onda y frecuencia: ђv = c.
La densidad de flujo de la radiación electromagnética, o intensidad /, está determinada por la energía &W atribuible a todas las frecuencias. Para caracterizar la distribución de frecuencia de la radiación, es necesario introducir una nueva cantidad: la intensidad por unidad de intervalo de frecuencia. Esta cantidad se llama densidad espectral de intensidad de radiación.
La densidad del flujo de radiación espectral se puede encontrar experimentalmente. Para hacer esto, es necesario utilizar un prisma para obtener el espectro de radiación, por ejemplo, de un arco eléctrico, y medir la densidad del flujo de radiación que cae en pequeños intervalos espectrales de ancho Av.
No puedes confiar en tu ojo para estimar la distribución de energía. El ojo tiene una sensibilidad selectiva a la luz: su máxima sensibilidad se encuentra en la región amarillo-verde del espectro. Lo mejor es aprovechar la propiedad de un cuerpo negro de absorber casi por completo la luz de todas las longitudes de onda. En este caso, la energía de radiación (es decir, la luz) provoca el calentamiento del cuerpo. Por tanto, basta con medir la temperatura corporal y utilizarla para juzgar la cantidad de energía absorbida por unidad de tiempo.
Un termómetro común y corriente es demasiado sensible para poder utilizarlo con éxito en tales experimentos. Se necesitan instrumentos más sensibles para medir la temperatura. Puede tomar un termómetro eléctrico, cuyo elemento sensible tiene la forma de una placa de metal delgada. Esta placa debe estar recubierta con una fina capa de hollín, que absorbe casi por completo la luz de cualquier longitud de onda.
La placa termosensible del dispositivo debe colocarse en un lugar particular del espectro. Todo el espectro visible de longitud l, desde los rayos rojos hasta los violetas, corresponde al intervalo de frecuencia de v cr a y f. El ancho corresponde a un pequeño intervalo Av. Calentando la placa negra del dispositivo, se puede juzgar la densidad del flujo de radiación por intervalo de frecuencia Av. Moviendo la placa a lo largo del espectro, encontraremos que la mayor parte de la energía se encuentra en la parte roja del espectro, y no en la amarilla-verde, como parece a simple vista.
Con base en los resultados de estos experimentos, es posible construir una curva de dependencia de la densidad espectral de la intensidad de la radiación con la frecuencia. La densidad espectral de la intensidad de la radiación está determinada por la temperatura de la placa, y la frecuencia no es difícil de encontrar si el dispositivo utilizado para descomponer la luz está calibrado, es decir, si se sabe a qué frecuencia corresponde una determinada parte del espectro. a.
Trazando a lo largo del eje de abscisas los valores de las frecuencias correspondientes a los puntos medios de los intervalos Av, y a lo largo del eje de ordenadas la densidad espectral de la intensidad de la radiación, obtenemos una serie de puntos a través de los cuales podemos trazar una curva suave. Esta curva da una representación visual de la distribución de energía y la parte visible del espectro del arco eléctrico.
Tipos de espectros.
Composición espectral de la radiación. varias sustancias muy diverso. Pero, a pesar de ello, todos los espectros, como demuestra la experiencia, se pueden dividir en tres tipos muy diferentes entre sí.
Espectros continuos.
El espectro solar o espectro de luz de arco es continuo. Esto significa que el espectro contiene ondas de todas las longitudes de onda. No hay interrupciones en el espectro y en la pantalla del espectrógrafo se puede ver una franja continua de colores.
La distribución de energía en frecuencias, es decir, la densidad espectral de la intensidad de la radiación, es diferente para diferentes cuerpos. Por ejemplo, un cuerpo con una superficie muy negra emite ondas electromagnéticas de todas las frecuencias, pero la curva de dependencia de la densidad espectral de la intensidad de la radiación con la frecuencia tiene un máximo a una determinada frecuencia. La energía de radiación a frecuencias muy bajas y muy altas es insignificante. Al aumentar la temperatura, la densidad espectral máxima de radiación se desplaza hacia ondas más cortas.
Los espectros continuos (o continuos), como muestra la experiencia, los dan cuerpos en estado sólido o líquido, así como gases muy comprimidos. Para obtener un espectro continuo, el cuerpo debe calentarse a una temperatura elevada.
La naturaleza del espectro continuo y el hecho mismo de su existencia están determinados no sólo por las propiedades de los átomos emisores individuales, sino que también dependen en gran medida de la interacción de los átomos entre sí.
El plasma a alta temperatura también produce un espectro continuo. Las ondas electromagnéticas son emitidas por el plasma principalmente cuando los electrones chocan con los iones.
Espectros de líneas.
Llevémoslo a la llama pálida quemador de gas un trozo de amianto empapado en una solución ordinaria sal de mesa. Al observar una llama a través de un espectroscopio, una línea amarilla brillante parpadeará contra el fondo del espectro continuo apenas visible de la llama. Esta línea amarilla es producida por el vapor de sodio, que se forma cuando las moléculas de sal de mesa se descomponen en una llama. En el espectroscopio también se puede ver una empalizada de líneas de colores de brillo variable, separadas por amplias franjas oscuras. Estos espectros se llaman gobernó. La presencia de un espectro lineal significa que una sustancia emite luz sólo en determinadas longitudes de onda (más precisamente, en determinados intervalos espectrales muy estrechos). Cada línea tiene un ancho finito.
Los espectros lineales dan todas las sustancias en estado atómico gaseoso ( pero no molecular) condición. En este caso, la luz la emiten átomos que prácticamente no interactúan entre sí. Este es el tipo de espectro más fundamental y básico.
Los átomos aislados de un elemento químico determinado emiten longitudes de onda estrictamente definidas.
Normalmente, para observar espectros lineales se utiliza el brillo del vapor de una sustancia en una llama o el brillo de una descarga de gas en un tubo lleno con el gas en estudio.
A medida que aumenta la densidad del gas atómico, las líneas espectrales individuales se expanden y, finalmente, a densidades de gas muy altas, cuando la interacción de los átomos se vuelve significativa, estas líneas se superponen entre sí, formando un espectro continuo.
Espectros rayados.
El espectro de bandas consta de bandas individuales separadas por espacios oscuros. Con la ayuda de un muy buen aparato espectral se puede descubrir que cada banda es una colección de un gran número de líneas muy próximas entre sí. 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.
Para observar los espectros moleculares, así como para observar los espectros lineales, se suele utilizar el resplandor del vapor en una llama o el resplandor de una descarga de gas.
Espectro de absorción.
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. Así, el vidrio rojo transmite ondas correspondientes a la luz roja (l»8·10 -5 cm) y absorbe todas las demás.
Si se pasa luz blanca a través de un gas frío que no emite, aparecen líneas oscuras en el contexto del espectro continuo de la fuente. El gas absorbe más intensamente la luz precisamente de aquellas longitudes de onda que emite cuando se calienta mucho. Las líneas oscuras sobre el fondo de un espectro continuo son líneas de absorción que juntas forman un espectro de absorción.
Existen espectros de emisión continuos, lineales y rayados y otros tantos tipos de espectros de absorción.
Es importante saber de qué están hechos los cuerpos que nos rodean. Se han inventado muchos métodos para determinar su composición. Pero la composición de estrellas y galaxias sólo puede determinarse mediante análisis espectral.
Análisis espectral y sus aplicaciones.
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. Por tanto, al familiarizarnos con los espectros lineales, damos el primer paso hacia el estudio de la estructura de los átomos. Al observar estos espectros, los científicos pudieron "mirar" el interior del átomo. Aquí la óptica entra en estrecho contacto con la física atómica.
La principal propiedad de los espectros lineales es que las longitudes de onda (o frecuencias) del espectro lineal de una sustancia dependen únicamente de las propiedades de los átomos de esta sustancia, pero son completamente independientes del método de excitación del brillo de los átomos.. Los átomos de cualquier elemento químico producen un espectro diferente al de todos los demás elementos: son capaces de emitir un conjunto estrictamente definido de longitudes de onda.
Basado en esto espectral análisis- un método para determinar la composición química de una sustancia a partir de su espectro. Al igual que las huellas dactilares humanas, los espectros lineales tienen una personalidad única. La singularidad de los patrones en la piel del dedo a menudo ayuda a encontrar al criminal. Del mismo modo, gracias a la individualidad de los espectros, es posible determinar la composición química del organismo. 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. Este es un método muy sensible.
El análisis cuantitativo de la composición de una sustancia basándose en su espectro es difícil, ya que el brillo de las líneas espectrales depende no sólo de la masa de la sustancia, sino también del método de excitación del resplandor. Así, a bajas temperaturas, muchas líneas espectrales no aparecen en absoluto. Sin embargo, siempre que se cumplan las condiciones estándar para la excitación de la luminiscencia, también se puede realizar un análisis espectral cuantitativo.
Actualmente, se han determinado los espectros de todos los átomos y se han compilado tablas de espectros. Con la ayuda del análisis espectral se descubrieron muchos elementos nuevos: rubidio, cesio, etc. A menudo, los elementos recibían nombres de acuerdo con el color de las líneas más intensas del espectro. El rubidio produce líneas de rubí de color rojo oscuro. La palabra cesio significa "azul cielo". Este es el color de las líneas principales del espectro del cesio.
Fue con la ayuda del análisis espectral que se conoció la composición química del Sol y las estrellas. En este caso, otros métodos de análisis son generalmente imposibles. Resultó que las estrellas se componen de los mismos elementos químicos que se encuentran en la Tierra. Es curioso que el helio se descubrió originalmente en el Sol y solo luego se encontró en la atmósfera terrestre. El nombre de este elemento recuerda la historia de su descubrimiento: la palabra helio significa "soleado" en la traducción.
Debido a su comparativa simplicidad y versatilidad, el análisis espectral es el método principal para monitorear la composición de una sustancia en la metalurgia, la ingeniería mecánica y la industria nuclear. Mediante análisis espectral, se determina la composición química de menas y minerales.
La composición de mezclas complejas, principalmente orgánicas, se analiza mediante sus espectros moleculares.
El análisis espectral se puede realizar no sólo a partir de espectros de emisión, sino también de espectros de absorción. Son las líneas de absorción en el espectro del Sol y las estrellas las que permiten estudiar la composición química de estos cuerpos celestes. La superficie brillantemente luminosa del Sol, la fotosfera, produce un espectro continuo. atmósfera solar Absorbe selectivamente la luz de la fotosfera, lo que conduce a la aparición de líneas de absorción en el contexto del espectro continuo de la fotosfera.
Pero la propia atmósfera del Sol emite luz. Durante los eclipses solares, cuando el disco solar queda cubierto por la Luna, las líneas del espectro se invierten. En lugar de líneas de absorción en el espectro solar, parpadean líneas de emisión.
En astrofísica, el análisis espectral significa no sólo la determinación de la composición química de estrellas, nubes de gas, etc., sino también la determinación de muchas otras cosas a partir de los espectros. características físicas estos objetos: temperatura, presión, velocidad, inducción magnética.
Además de la astrofísica, el análisis espectral se utiliza ampliamente en la ciencia forense para investigar las pruebas encontradas en la escena del crimen. Además, el análisis espectral en la ciencia forense es muy útil para identificar el arma homicida y, en general, revelar algunos de los detalles del crimen.
El análisis espectral se utiliza aún más ampliamente en medicina. Aquí su aplicación es muy buena. Puede utilizarse para diagnóstico, así como para identificar sustancias extrañas en el cuerpo humano.
El análisis espectral hace avanzar no sólo la ciencia, sino también la esfera pública actividad humana.
El análisis espectral requiere instrumentos espectrales especiales, que consideraremos más adelante.
Dispositivos espectrales
Para estudiar con precisión los espectros, como dispositivos simples, ya que una estrecha rendija que limita el haz de luz y un prisma ya no son suficientes. Se necesitan instrumentos que proporcionen un espectro claro, es decir, instrumentos que puedan separar bien ondas de diferentes longitudes y que no permitan que partes individuales del espectro se superpongan. Estos dispositivos se denominan dispositivos espectrales. Muy a menudo, la parte principal del aparato espectral es un prisma o una red de difracción.
Consideremos el diagrama de diseño de un aparato espectral de prisma. La radiación en estudio ingresa primero a una parte del dispositivo llamada colimador. El colimador es un tubo, en uno de sus extremos hay una pantalla con brecha estrecha, y por el otro hay una lente convergente. La brecha se encuentra en longitud focal desde la lente. Por lo tanto, un haz de luz divergente que incide sobre la lente desde la rendija sale de ella como un haz paralelo e incide sobre el prisma.
Dado que diferentes frecuencias corresponden a diferentes índices de refracción, del prisma emergen haces paralelos que no coinciden en dirección. Caen sobre la lente. En la distancia focal de esta lente hay una pantalla: vidrio escarchado o placa fotográfica. La lente enfoca haces de rayos paralelos en la pantalla y, en lugar de una imagen de la rendija, se obtiene una serie completa de imágenes. Cada frecuencia (intervalo espectral estrecho) tiene su propia imagen. Todas estas imágenes juntas forman un espectro.
El dispositivo descrito se llama espectrógrafo. Si, en lugar de una segunda lente y una pantalla, se utiliza un telescopio para observar visualmente los espectros, entonces el dispositivo se llama espectroscopio. Los prismas y otras partes de los dispositivos espectrales no están necesariamente hechos de vidrio. En lugar de vidrio, se utilizan los siguientes materiales transparentes, como cuarzo, sal gema, etc.
Se ha familiarizado con una nueva cantidad: la densidad espectral de la intensidad de la radiación. Descubrimos qué hay dentro de la carcasa del aparato espectral.
La composición espectral de la radiación de sustancias es muy diversa. Pero a pesar de esto, todos los espectros, como muestra la experiencia, se pueden dividir en tres tipos.
Propiedades de la radiación electromagnética. La radiación electromagnética con diferentes longitudes de onda tiene muchas diferencias, pero todas, desde las ondas de radio hasta la radiación gamma, son una naturaleza física. Todos los tipos de radiación electromagnética, en mayor o menor medida, presentan las propiedades de interferencia, difracción y polarización características de las ondas. Al mismo tiempo, todos los tipos de radiación electromagnética presentan en mayor o menor medida propiedades cuánticas.
Todas las radiaciones electromagnéticas tienen en común los mecanismos de su aparición: durante el movimiento acelerado pueden surgir ondas electromagnéticas de cualquier longitud de onda. cargas eléctricas o durante las transiciones de moléculas, átomos o núcleos atómicos de uno estado cuántico a otro. Las oscilaciones armónicas de cargas eléctricas van acompañadas de radiación electromagnética que tiene una frecuencia igual a la frecuencia de oscilaciones de las cargas.
Ondas de radio. Cuando se producen oscilaciones con frecuencias de 10 5 a 10 12 Hz, se genera radiación electromagnética, cuyas longitudes de onda se encuentran en el rango de varios kilómetros a varios milímetros. Esta sección de la escala de radiación electromagnética se refiere al rango de ondas de radio. Las ondas de radio se utilizan para comunicaciones por radio, televisión y radar.
Radiación infrarroja. Radiación electromagnética con una longitud de onda inferior a 1-2 mm, pero superior a 8 * 10 -7 m, es decir aquellas que se encuentran entre el rango de las ondas de radio y el rango de la luz visible se denominan radiación infrarroja.
La región del espectro más allá de su borde rojo se estudió experimentalmente por primera vez en 1800. El astrónomo inglés William Herschel (1738 - 1822). Herschel colocó un termómetro con una bola ennegrecida en el extremo rojo del espectro y descubrió un aumento de temperatura. La bola del termómetro se calentó mediante radiación invisible a la vista. Esta radiación se llamó rayos infrarrojos.
Cualquier cuerpo calentado emite radiación infrarroja. Fuentes radiación infrarroja sirven como estufas, baterías para calentar agua y lámparas eléctricas incandescentes.
Mediante el uso dispositivos especiales La radiación infrarroja se puede convertir en luz visible y se pueden obtener imágenes de objetos calentados en completa oscuridad. La radiación infrarroja se utiliza para secar productos pintados, paredes de construcción y madera.
La importancia de esta parte del espectro de radiación electromagnética en la vida humana es extremadamente grande, ya que una persona recibe casi toda la información sobre el mundo que la rodea a través de la visión.
la luz es requisito previo desarrollo de plantas verdes y, por tanto, una condición necesaria para la existencia de vida en la Tierra.
Radiación ultravioleta. En 1801, el físico alemán Johann Ritter (1776 - 1810), mientras estudiaba el espectro, descubrió que más allá de su borde violeta hay una región creada por rayos invisibles al ojo. Estos rayos afectan a ciertos compuestos químicos. Bajo la influencia de estos rayos invisibles, el cloruro de plata se descompone, los cristales de sulfuro de zinc y algunos otros cristales brillan.
Invisible a la vista radiación electromagnética con una longitud de onda más corta que la luz violeta se llama radiación ultravioleta. La radiación ultravioleta incluye radiación electromagnética en el rango de longitud de onda de 4*10 -7 a 1*10 -8 m.
La radiación ultravioleta puede matar bacterias patógenas, por lo que se utiliza ampliamente en medicina. La radiación ultravioleta en la composición de la luz solar provoca procesos biológicos que conducen al oscurecimiento de la piel humana: el bronceado.
Las lámparas de descarga de gas se utilizan como fuente de radiación ultravioleta en medicina. Los tubos de estas lámparas están hechos de cuarzo, transparente al rayos ultravioleta; Por eso estas lámparas se llaman lámparas de cuarzo.
Rayos X. Si se aplica una tensión constante de varias decenas de miles de voltios en un tubo de vacío entre el cátodo calentado, que emite un electrón, y el ánodo, los electrones se acelerarán primero. campo eléctrico, y luego se ralentiza bruscamente en la sustancia anódica al interactuar con sus átomos. Cuando los electrones rápidos de una sustancia se desaceleran o durante las transiciones electrónicas en las capas internas de los átomos, aparecen ondas electromagnéticas con una longitud de onda más corta que la de la radiación ultravioleta. Esta radiación fue descubierta en 1895 por el físico alemán Wilhelm Roentgen (1845-1923). La radiación electromagnética en el rango de longitud de onda de 10 -14 a 10 -7 m se llama rayos X.
Los rayos X son invisibles al ojo. Pasan sin una absorción significativa a través de importantes capas de materia que son opacas a la luz visible. Los rayos X se detectan por su capacidad de provocar un cierto brillo en determinados cristales y actuar sobre la película fotográfica.
La capacidad de los rayos X para penetrar capas gruesas de materia se utiliza para diagnosticar enfermedades. órganos internos persona. En tecnología, los rayos X se utilizan para controlar la estructura interna de diversos productos y soldaduras. Los rayos X tienen fuertes efectos biológicos y se utilizan para tratar determinadas enfermedades.
Radiación gamma. La radiación gamma es una radiación electromagnética emitida por núcleos atómicos excitados y resultante de la interacción de partículas elementales.
La radiación gamma es la radiación electromagnética de longitud de onda más corta (l < 10-10 metros). Su peculiaridad son sus pronunciadas propiedades corpusculares. Por lo tanto, la radiación gamma generalmente se considera como una corriente de partículas: cuantos gamma. En la región de longitud de onda de 10 -10 a 10 -14, los rangos de radiación de rayos X y gamma se superponen; en esta región, los rayos X y los rayos gamma son idénticos en naturaleza y solo difieren en su origen.
EN principios del XIX v. Se descubrió que arriba (en longitud de onda) la parte roja del espectro de luz visible es invisible al ojo infrarrojo parte del espectro, y debajo del violeta la parte del espectro de la luz visible es invisible ultravioleta parte del espectro.
Las longitudes de onda de la radiación infrarroja varían desde
3·10 -4 a 7,6·10 -7 m La propiedad más característica de esta radiación es su efecto térmico. La fuente de infrarrojos es cualquier cuerpo. Cuanto mayor es la temperatura corporal, mayor es la intensidad de esta radiación. La radiación infrarroja se estudia mediante termopares y bolómetros. El principio de funcionamiento de los dispositivos de visión nocturna se basa en el uso de radiación infrarroja.
Las longitudes de onda de la radiación ultravioleta varían desde
4·10 -7 a 6·10 -9 m La propiedad más característica de esta radiación es su efecto químico y biológico. La radiación ultravioleta provoca el efecto fotoeléctrico, el brillo de varias sustancias ( fluorescencia y fosforescencia). Mata los microbios patógenos, provoca el bronceado, etc.
En ciencia, la radiación infrarroja y ultravioleta se utiliza para estudiar las moléculas y los átomos de la materia.
En la pantalla detrás del prisma refractivo, los colores monocromáticos del espectro están dispuestos en el siguiente orden: rojo (que tiene la longitud de onda más larga lk = 7,6·10 -7 m entre las ondas de luz visible y el índice de refracción más pequeño), naranja, amarillo , verde, cian, azul y violeta (que tiene la longitud de onda más corta del espectro visible l f =4·10 -7 my el índice de refracción más alto).
Así, el análisis espectral se utiliza en casi todas las áreas más importantes de la actividad humana: en medicina, medicina forense, industria y otras industrias que existen en beneficio de la humanidad. Por lo tanto, el análisis espectral es uno de los aspectos más importantes desarrollo no sólo del progreso científico, sino también del nivel mismo de vida humana.
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2. D.V. Sivukhin, “Curso general de física. nucleares y física nuclear. Parte 1. Física atómica" Editorial "Ciencia", Moscú - 1986.
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5. DE Kabardin "Física". Editorial "Prosveshchenie", M. - 1991.
Kirchhoff y Bunsen intentaron por primera vez el análisis espectral en 1859. Dos crearon un espectroscopio que parece una tubería. Forma irregular. En un lado había un agujero (colimador) por el que caían los rayos de luz en estudio. Dentro del tubo había un prisma que desviaba los rayos y los dirigía hacia otro agujero del tubo. A la salida, los físicos pudieron ver la luz descompuesta en un espectro.
Los científicos decidieron realizar un experimento. Oscureciendo la habitación y cubriendo la ventana. cortinas gruesas, encendieron una vela cerca de la rendija del colimador y luego tomaron trozos de diferentes sustancias y los introdujeron en la llama de la vela, observando si cambiaba el espectro. ¡Y resultó que los vapores calientes de cada sustancia daban espectros diferentes! Dado que el prisma separaba estrictamente los rayos y no permitía que se superpusieran, fue posible identificar con precisión la sustancia en el espectro resultante.
Posteriormente, Kirchhoff analizó el espectro del Sol y descubrió que ciertos elementos químicos estaban presentes en su cromosfera. Esto dio origen a la astrofísica.
Para realizar el análisis espectral se necesita una cantidad muy pequeña de sustancia. Este método es extremadamente sensible y muy rápido, lo que permite no sólo utilizarlo para una amplia variedad de necesidades, sino que a veces lo hace simplemente insustituible. Se sabe con certeza que cada tabla periódica emite un espectro especial, solo para él, por lo que con un análisis espectral realizado correctamente es casi imposible cometer un error.
El análisis espectral puede ser atómico o molecular. Mediante el análisis atómico se puede revelar, respectivamente, la composición atómica de una sustancia y, mediante el análisis molecular, la composición molecular.
Hay dos formas de medir el espectro: emisión y absorción. El análisis espectral de emisión se lleva a cabo estudiando qué espectro emiten los átomos o moléculas seleccionados. Para ello es necesario darles energía, es decir, excitarlos. El análisis de absorción, por el contrario, se realiza utilizando el espectro de absorción del estudio electromagnético dirigido a los objetos.
A través del análisis espectral es posible medir una variedad de varias características sustancias, partículas o incluso grandes cuerpos fisicos(por ejemplo, objetos espaciales). Es por eso que el análisis espectral se divide en varios métodos. Para obtener el resultado requerido para una tarea específica, es necesario seleccionar correctamente el equipo, la longitud de onda para estudiar el espectro, así como la propia región espectral.
La ciencia y la tecnología modernas son impensables sin el conocimiento de la composición química de las sustancias que son objeto de la actividad humana. Los minerales encontrados por los geólogos y las nuevas sustancias y materiales obtenidos por los químicos se caracterizan principalmente por su composición química. Para una orientación correcta procesos tecnológicos en una variedad de industrias economía nacional Es necesario un conocimiento preciso de la composición química de las materias primas, productos intermedios y terminados.
El rápido desarrollo de la tecnología plantea nuevas exigencias a los métodos de análisis de sustancias. Hasta hace relativamente poco tiempo era posible limitarse a la determinación de impurezas presentes en concentraciones de hasta el 10-2-10-3%. El surgimiento y el rápido desarrollo en los años de la posguerra de la industria de materiales nucleares, así como la producción de aceros y aleaciones duros, resistentes al calor y otros aceros y aleaciones especiales, requirieron un aumento en la sensibilidad de los métodos analíticos a 10-4-10. -6%, ya que se encontró que la presencia de impurezas incluso en concentraciones tan pequeñas afecta significativamente las propiedades de los materiales y el curso de ciertos procesos tecnológicos.
Recientemente, debido al desarrollo de la industria. materiales semiconductores Se imponen exigencias aún mayores a la pureza de las sustancias y, por tanto, a la sensibilidad de los métodos analíticos. altos requisitos– es necesario determinar las impurezas cuyo contenido es absolutamente insignificante (10-7-10-9%). Por supuesto, esta pureza ultraalta de sustancias sólo es necesaria en casos individuales, pero en un grado u otro, aumentar la sensibilidad del análisis se ha convertido en un requisito necesario en casi todas las áreas de la ciencia y la tecnología.
En producción materiales poliméricos la concentración de impurezas en las sustancias de partida (monómeros) era muy grande, a menudo décimas e incluso un número entero de porcentaje. Recientemente se ha descubierto que la calidad de muchos polímeros acabados depende en gran medida de su pureza. Por lo tanto, en la actualidad, se comprueba la presencia de impurezas en los compuestos insaturados de partida y algunos otros monómeros, cuyo contenido no debe exceder el 10-2-10-4%. En geología, se utilizan cada vez más métodos hidroquímicos para explorar depósitos minerales. Para su uso exitoso, es necesario determinar las sales metálicas en aguas naturales en una concentración de 10-4-10-8 g/ly incluso menos.
Ahora no sólo se exigen cada vez más la sensibilidad del análisis. La introducción de nuevos procesos tecnológicos en la producción suele estar estrechamente relacionada con el desarrollo de métodos que proporcionen una velocidad y precisión de análisis suficientemente altas. Además, los métodos analíticos requieren un alto rendimiento y la capacidad de automatizar operaciones individuales o el análisis completo. Los métodos químicos de análisis no siempre cumplen con los requisitos. ciencia moderna y Tecnología. Por lo tanto, se están introduciendo cada vez más en la práctica métodos fisicoquímicos y físicos para determinar la composición química, que tienen una serie de características valiosas. Entre estos métodos, uno de los lugares principales ocupa legítimamente análisis espectral.
Debido a la alta selectividad del análisis espectral, es posible, utilizando el mismo diagrama esquemático, utilizan los mismos instrumentos para analizar una amplia variedad de sustancias, eligiendo en cada caso individual sólo las más condiciones favorables para máxima velocidad, sensibilidad y precisión del análisis. Por tanto, a pesar de la gran cantidad de técnicas analíticas diseñadas para analizar diversos objetos, todas se basan en un principio común.
El análisis espectral se basa en el estudio de la estructura de la luz que emite o absorbe la sustancia que se analiza. Los métodos de análisis espectral se dividen en emisión (emisión - emisión) y absorción (absorción - absorción).
Consideremos el esquema de análisis espectral de emisión (Fig. 6.8a). Para que una sustancia emita luz, es necesario transferirle energía adicional. Los átomos y moléculas del analito pasan entonces a un estado excitado. Al volver a su estado normal, desprenden el exceso de energía en forma de luz. La naturaleza de la luz emitida por sólidos o líquidos suele depender muy poco de la composición química y, por tanto, no puede utilizarse para análisis. La radiación de los gases tiene un carácter completamente diferente. Está determinado por la composición de la muestra analizada. En este sentido, durante el análisis de emisiones, antes de la excitación de una sustancia, ésta debe evaporarse.
Arroz. 6.8.
A - emisión: b – absorción: 1 - Fuente de luz; 2 – condensador de iluminación; 3 – cubeta para la muestra analizada; 4 – aparato espectral; 5 – registro del espectro; 6 – determinación de la longitud de onda de líneas o bandas espectrales; 7 – análisis cualitativo de la muestra mediante tablas y atlas; 8 – determinación de la intensidad de líneas o rayas; 9 – análisis cuantitativo muestras según el programa de calibración; λ – longitud de onda; J – intensidad de la banda
La evaporación y la excitación se llevan a cabo en fuentes de luz, en el que se introduce la muestra analizada. Como fuentes de iluminación se utilizan llamas de alta temperatura o diversos tipos de descargas eléctricas en gases: arco, chispa, etc. Para obtener una descarga eléctrica con las características requeridas, utilice generadores.
Las altas temperaturas (miles y decenas de miles de grados) en las fuentes de luz provocan la desintegración de las moléculas de la mayoría de las sustancias en átomos. Por lo tanto, los métodos de emisión se utilizan generalmente para análisis atómicos y muy raramente para análisis moleculares.
La radiación de una fuente de luz consiste en la radiación de los átomos de todos los elementos presentes en la muestra. Para el análisis es necesario aislar la radiación de cada elemento. Esto se hace utilizando instrumentos ópticos. dispositivos espectrales, en el que los rayos de luz de diferentes longitudes de onda están separados en el espacio entre sí. La radiación de una fuente de luz, dividida en longitudes de onda, se llama espectro.
Los dispositivos espectrales están diseñados de tal manera que las vibraciones de la luz de cada longitud de onda que ingresan al dispositivo forman una línea. Cuántas ondas diferentes estaban presentes en la radiación de una fuente de luz, tantas líneas se obtienen en el aparato espectral.
Los espectros atómicos de los elementos consisten en líneas individuales, ya que en la radiación de los átomos solo hay algunas ondas específicas (figura 6.9a). En la radiación de sólidos calientes o cuerpos líquidos Hay luz de cualquier longitud de onda. Las líneas individuales del aparato espectral se fusionan entre sí. Esta radiación tiene un espectro continuo (figura 6.9f). A diferencia del espectro lineal de los átomos, los espectros de emisión molecular de sustancias que no se han desintegrado durante alta temperatura, tienen rayas (Fig. 6.96). Cada tira está formada un número grande líneas muy espaciadas.
La luz, descompuesta en un espectro en un aparato espectral, puede verse visualmente o registrarse mediante fotografía o dispositivos fotoeléctricos. El diseño del aparato espectral depende del método de registro del espectro. Para la observación visual de espectros, utilice espectroscopios – aceoscopios Y estilómetros. La fotografía de los espectros se realiza utilizando espectrógrafos. Dispositivos espectrales – monocromadores – permitir aislar la luz de una longitud de onda, después de lo cual puede detectarse mediante una fotocélula u otro receptor de luz eléctrica.
Arroz. 6.9.
A – gobernado; 6 – rayado; las líneas individuales que componen la tira son visibles; V - sólido. Los lugares más oscuros del espectro corresponden a la mayor intensidad luminosa (imagen negativa); λ – longitud de onda
En analisis cualitativo es necesario determinar qué elemento de emisión corresponde a tal o cual línea en el espectro de la muestra analizada. Para hacer esto, necesita encontrar la longitud de onda de la línea por su posición en el espectro y luego, usando tablas, determinar su pertenencia a uno u otro elemento. Para ver una imagen ampliada del espectro en una placa fotográfica y determinar la longitud de onda, utilice microscopios de medición , espectroproyectores y otros dispositivos auxiliares.
La intensidad de las líneas espectrales aumenta al aumentar la concentración del elemento en la muestra. Por tanto, para realizar un análisis cuantitativo es necesario encontrar la intensidad de una línea espectral del elemento que se está determinando. La intensidad de la línea se mide por su ennegrecimiento en la fotografía del espectro ( espectrograma ) o inmediatamente por la magnitud del flujo luminoso que emerge del aparato espectral. La cantidad de ennegrecimiento de las líneas en el espectrograma está determinada por microfotómetros.
La relación entre la intensidad de la línea en el espectro y la concentración del elemento en la muestra analizada se establece mediante estándares – muestras similares a las que se están analizando, pero con una composición química conocida con precisión. Esta relación suele expresarse en forma de gráficos de calibración.
El esquema para realizar el análisis espectral de absorción (Fig. 6.8b) difiere del esquema ya considerado solo en su parte inicial. La fuente de luz es un cuerpo sólido calentado u otra fuente de radiación continua, es decir. radiación con cualquier longitud de onda. La muestra analizada se coloca entre la fuente de luz y el aparato espectral. El espectro de una sustancia consta de longitudes de onda cuya intensidad disminuyó cuando la luz continua pasó a través de esta sustancia (figura 6.10). Es conveniente representar gráficamente el espectro de absorción de sustancias, trazando la longitud de onda a lo largo del eje de abscisas y la cantidad de luz absorbida por la sustancia a lo largo del eje de ordenadas.
Arroz. 6.10.
A – fotográfico; b – gráfico; I – espectro de una fuente de luz continua; II – espectro de la misma radiación después de pasar por la muestra analizada
Los espectros de absorción se obtienen utilizando dispositivos espectrales. espectrofotómetros, que incluyen una fuente de luz continua, un monocromador y un dispositivo de grabación.
Por lo demás, los esquemas para realizar los análisis de absorción y emisión son los mismos.
El análisis espectral mediante espectros de emisión o absorción incluye las siguientes operaciones.
Todo el proceso de realización del análisis espectral consta, como hemos visto, de varias etapas. Estas etapas se pueden estudiar secuencialmente, independientemente unas de otras, y luego se pueden examinar sus interrelaciones.
Mediante el análisis espectral, puede determinar la composición atómica (elemental) y molecular de una sustancia. El análisis espectral permite el descubrimiento cualitativo de componentes individuales de la muestra analizada y la determinación cuantitativa de sus concentraciones.
Sustancias con muy cerca propiedades químicas, que son difíciles o incluso imposibles de analizar mediante métodos químicos, se determinan fácilmente espectralmente. Por ejemplo, el análisis de una mezcla de elementos de tierras raras o de una mezcla de gases nobles es relativamente sencillo. Mediante el análisis espectral es posible determinar compuestos orgánicos isoméricos con propiedades químicas muy similares.
Los métodos de análisis espectral atómico, cualitativo y cuantitativo, están ahora mucho mejor desarrollados que los moleculares y tienen aplicaciones prácticas más amplias. Análisis espectral atómico Se utiliza para analizar una amplia variedad de objetos. El ámbito de su aplicación es muy amplio: metalurgia ferrosa y no ferrosa, ingeniería mecánica, geología, química, biología, astrofísica y muchas otras ramas de la ciencia y la industria.
Cabe señalar que la amplitud y el volumen. aplicaciones prácticas El análisis espectral molecular, especialmente recientemente, está creciendo rápida y continuamente. Esto se debe principalmente al desarrollo y producción de equipos de análisis espectral para este método.
El campo de aplicación del análisis espectral molecular abarca principalmente sustancias orgánicas, aunque también se pueden analizar con éxito compuestos inorgánicos. Análisis espectral molecular. Se está implementando principalmente en las industrias química, de refinación de petróleo y químico-farmacéutica.
La sensibilidad del análisis espectral es muy alta. La concentración mínima del analito que puede detectarse y medirse mediante métodos espectrales varía ampliamente según las propiedades de esta sustancia y la composición de la muestra analizada. El análisis directo para determinar la mayoría de los metales y otros elementos puede alcanzar con relativa facilidad una sensibilidad de 10-3– y, para algunas sustancias, incluso de 10-5–1-6%. Y sólo en casos particularmente desfavorables la sensibilidad disminuye al 10-1-10-2%. El uso de la separación preliminar de impurezas de la base de la muestra puede aumentar enormemente (a menudo miles de veces) la sensibilidad del análisis. Debido a su alta sensibilidad, el análisis espectral atómico se usa ampliamente para el análisis de metales puros y muy puros, en geoquímica y ciencias del suelo para determinar microconcentraciones. varios elementos, incluidos los raros y dispersos, en la industria de materiales atómicos y semiconductores.
La sensibilidad del análisis espectral molecular para diversas sustancias varía dentro de límites aún más amplios. En algunos casos es difícil determinar sustancias cuyo contenido en la muestra analizada asciende a porcentajes y décimas de porcentaje, pero también se pueden dar ejemplos de una sensibilidad muy alta del análisis molecular del 10-7-10-8%. La precisión del análisis espectral atómico depende de la composición y estructura de los objetos analizados. Al analizar muestras que son similares en estructura y composición, se puede lograr fácilmente una alta precisión. El error en este caso no supera el ±1–3% con respecto al valor determinado. Por lo tanto, por ejemplo, el análisis espectral en serie de metales y aleaciones es preciso. En la metalurgia y la ingeniería mecánica, el análisis espectral se ha convertido actualmente en el principal método analítico.
La precisión del análisis de sustancias cuya composición y estructura varía mucho de una muestra a otra es significativamente menor, pero últimamente la situación en este ámbito ha mejorado notablemente. Análisis espectral cuantitativo de menas, minerales, rocas, escorias y objetos similares. Aunque el problema aún no se ha resuelto por completo, el análisis cuantitativo de muestras no metálicas se utiliza ahora ampliamente en muchas industrias: en metalurgia, geología, en la producción de refractarios, vidrio y otros tipos de productos.
El error relativo de determinación en el análisis espectral atómico depende poco de la concentración. Permanece casi constante tanto al analizar pequeñas impurezas y aditivos como al determinar los componentes principales de la muestra. Exactitud metodos quimicos El análisis disminuye significativamente cuando se pasa a la determinación de impurezas. Por lo tanto, el análisis espectral atómico es más preciso que el análisis químico en la región de bajas concentraciones. En concentraciones promedio (0,1-1%) de las sustancias que se determinan, la precisión de ambos métodos es aproximadamente la misma, pero en la región de altas concentraciones la precisión del análisis químico suele ser mayor. El análisis espectral molecular suele dar más alta precisión determinación que la atómica, y no es inferior en precisión a la química incluso en altas concentraciones.
La velocidad del análisis espectral supera significativamente la velocidad del análisis mediante otros métodos. Esto se explica por el hecho de que el análisis espectral no requiere una separación preliminar de la muestra en componentes individuales. Además, el análisis en sí es muy rápido. Entonces, al usar métodos modernos Análisis espectral, la cuantificación precisa de múltiples componentes en una muestra compleja toma solo unos minutos desde el momento en que la muestra se entrega al laboratorio hasta los resultados del análisis. El tiempo de análisis, por supuesto, aumenta cuando se requiere un tratamiento previo de la muestra para mejorar la precisión o la sensibilidad.
La alta velocidad del análisis espectral está estrechamente relacionada con su alta productividad, que es muy importante para los análisis de masas. Debido a la alta productividad y al bajo consumo de reactivos y otros materiales, el costo de un análisis cuando se utilizan métodos espectrales suele ser bajo, a pesar de los importantes costos iniciales de compra de equipos analíticos espectrales. Además, por regla general, cuanto mayores sean los costes iniciales y más compleja la preparación preliminar técnica analítica, más rápido y económico será realizar análisis masivos.
En esencia, el análisis espectral es un método instrumental. Cuando se utilizan equipos modernos, el número de operaciones que requieren la intervención de un espectroscopista es pequeño. Se ha establecido que estas operaciones restantes pueden automatizarse. Por tanto, el análisis espectral permite automatizar completamente la determinación de la composición química de una sustancia.
El análisis espectral es universal. Con su ayuda, puede determinar casi cualquier elemento y compuesto en una amplia variedad de objetos analíticos sólidos, líquidos y gaseosos.
El análisis espectral se caracteriza por una alta selectividad. Esto significa que casi todas las sustancias pueden determinarse cualitativa y cuantitativamente en una muestra compleja, sin separarla.
