Analiza spektralna
Analiza spektralna- zestaw metod jakościowego i ilościowego określania składu obiektu, oparty na badaniu widm oddziaływania materii z promieniowaniem, w tym widm promieniowania elektromagnetycznego, fal akustycznych, rozkładów masy i energii cząstek elementarnych, itp.
W zależności od celu analizy i rodzaju widm istnieje kilka metod analizy widmowej. Atomowy oraz molekularny analizy spektralne umożliwiają określenie odpowiednio składu pierwiastkowego i cząsteczkowego substancji. W metodach emisyjnych i absorpcyjnych skład określa się na podstawie widm emisyjnych i absorpcyjnych.
Analiza spektrometrii mas przeprowadzana jest z wykorzystaniem widm mas jonów atomowych lub molekularnych i umożliwia określenie składu izotopowego obiektu.
Ciemne linie na prążkach widmowych zauważono dawno temu, ale pierwsze poważne badania tych linii podjął dopiero w 1814 r. Josef Fraunhofer. Efekt został nazwany na jego cześć Fraunhofer Lines. Fraunhofer ustalił stabilność pozycji wierszy, skompilował ich tabelę (w sumie naliczył 574 wiersze), przypisując każdemu kod alfanumeryczny. Nie mniej ważny był jego wniosek, że linie nie są związane ani z materiałem optycznym, ani atmosfera ziemska, ale są naturalną cechą światło słoneczne. Znalazł podobne linie w sztuczne źródłaświatła, a także w widmach Wenus i Syriusza.
Wkrótce stało się jasne, że w obecności sodu zawsze pojawia się jedna z najwyraźniejszych linii. W 1859 G. Kirchhoff i R. Bunsen, po serii eksperymentów, doszli do wniosku, że każdy pierwiastek chemiczny ma swoje unikalne widmo liniowe, a widmo ciał niebieskich można wykorzystać do wyciągnięcia wniosków na temat składu ich materii. Od tego momentu w nauce pojawiła się analiza spektralna, potężna metoda zdalnego określania składu chemicznego.
Aby przetestować metodę w 1868 roku, Paryska Akademia Nauk zorganizowała wyprawę do Indii, gdzie zbliżało się całkowite zaćmienie Słońca. Tam naukowcy odkryli, że wszystkie ciemne linie w czasie zaćmienia, kiedy widmo emisji zmieniło widmo absorpcji korony słonecznej, zgodnie z przewidywaniami stały się jasne na ciemnym tle.
Stopniowo wyjaśniono charakter każdej z linii, ich związek z pierwiastkami chemicznymi. W 1860 Kirchhoff i Bunsen, stosując analizę spektralną, odkryli cez, aw 1861 rubid. A hel odkryto na Słońcu 27 lat wcześniej niż na Ziemi (odpowiednio 1868 i 1895).
Atomy każdego pierwiastka chemicznego mają ściśle określone częstotliwości rezonansowe, w wyniku czego to właśnie przy tych częstotliwościach emitują lub pochłaniają światło. Prowadzi to do tego, że w spektroskopie linie (ciemne lub jasne) są widoczne na widmach w określonych miejscach charakterystycznych dla każdej substancji. Intensywność linii zależy od ilości materii i jej stanu. W ilościowej analizie widmowej zawartość substancji badanej jest określana przez względne lub bezwzględne natężenia linii lub pasm w widmach.
Optyczna analiza spektralna charakteryzuje się względną łatwością wykonania, brakiem złożonego przygotowania próbek do analizy oraz niewielką ilością substancji (10–30 mg) wymaganą do analizy dużej liczby pierwiastków.
Widma atomowe (absorpcja lub emisja) uzyskuje się poprzez przeniesienie substancji do stanu pary poprzez podgrzanie próbki do 1000-10000 °C. Jako źródła wzbudzenia atomów w analizie emisji materiałów przewodzących stosuje się iskrę, łuk. prąd przemienny; podczas gdy próbka jest umieszczana w kraterze jednej z elektrod węglowych. Do analizy roztworów szeroko stosuje się płomienie lub plazmy różnych gazów.
W ostatnie czasy, najszerzej stosowane są emisyjne i spektrometria masowa metody analizy spektralnej oparte na wzbudzaniu atomów i ich jonizacji w plazmie argonowej wyładowań indukcyjnych, a także w iskrze laserowej.
Analiza spektralna jest czułą metodą i jest szeroko stosowana w chemia analityczna, astrofizyka, metalurgia, inżynieria mechaniczna, badania geologiczne i inne dziedziny nauki.
W teorii przetwarzania sygnałów analiza widmowa oznacza również analizę rozkładu energii sygnału (na przykład dźwięku) na częstotliwości, liczby fal itp.
Fundacja Wikimedia. 2010 .
ANALIZA SPEKTRALNA- fizyczny. metody jakości. .i ilości. określenie składu wa na podstawie akwizycji i badania jego widm. Podstawa S. i. spektroskopia atomów i cząsteczek, jest klasyfikowana według celu analizy i rodzajów widm. Atomic S.A. (ACA) określa ... ... Encyklopedia fizyczna
Analiza spektralna- Pomiar składu substancji na podstawie badania jej widm Źródło ... Słownik-odnośnik terminów dokumentacji normatywnej i technicznej
Analiza spektralna- patrz Spektroskopia. Słownik geologiczny: w 2 tomach. M.: Nedra. Pod redakcją K. N. Paffengolts i wsp. 1978. Analiza spektralna ... Encyklopedia geologiczna
ANALIZA SPEKTRALNA- Wprowadzone przez Bunsena i Kirchhoffa w 1860 r. badanie chemiczne substancji za pomocą charakterystycznych dla tej ostatniej linii barw, które są widoczne podczas oglądania (podczas ulatniania) przez pryzmat. Wyjaśnienie 25000 obcojęzyczne słowa … Słownik wyrazów obcych języka rosyjskiego
ANALIZA SPEKTRALNA- ANALIZA SPEKTRALNA, jedna z metod analizy, w której wykorzystuje się widma (patrz Spektroskopia, spektroskop) oddawane przez określone ciała podczas ich podgrzewania! lub gdy promienie przechodzą przez roztwory, dając ciągłe widmo. Do… … Wielka encyklopedia medyczna
ANALIZA SPEKTRALNA- fizyczna metoda jakościowego i ilościowego oznaczania składu substancji na podstawie jej widm optycznych. Istnieje atomowa i molekularna analiza spektralna, emisja (za pomocą widm emisyjnych) i absorpcja (za pomocą widm ... ... Wielki słownik encyklopedyczny
Analiza spektralna- matematyczno-statystyczna metoda analizy szeregów czasowych, w której szereg jest traktowany jako zbiór złożony, mieszanina nakładających się na siebie oscylacji harmonicznych. Nacisk kładziony jest na częstotliwość... Słownik ekonomiczny i matematyczny
ANALIZA SPEKTRALNA- fizyczny. metody jakościowego i ilościowego oznaczania chemicznego. skład dowolnych substancji na podstawie pozyskania i badania ich widma optycznego. W zależności od charakteru zastosowanych widm rozróżnia się następujące typy: emisje (emisja C ... Wielka Encyklopedia Politechniczna
Analiza spektralna- I Analiza spektralna to fizyczna metoda jakościowego i ilościowego określania składu atomowego i molekularnego substancji, oparta na badaniu jej widm. Podstawa fizyczna S.a. Spektroskopia atomów i cząsteczek, jej ... ... Wielka radziecka encyklopedia
Analiza spektralna- Treść artykułu. I. Blask ciał. Spektrum emisji. widmo słoneczne. Linie Fraunhofera. Widma pryzmatyczne i dyfrakcyjne. Rozpraszanie barw pryzmatu i siatki. II. Spektroskopy. Spektroskop obrotowy i bezpośredni à vision directe.… … Słownik encyklopedyczny F.A. Brockhaus i I.A. Efron
Analiza spektralna podzielona jest na kilka niezależnych metod. Wśród nich są: spektroskopia w podczerwieni i ultrafiolecie, absorpcja atomowa, analiza luminescencji i fluorescencji, spektroskopia refleksyjna i Ramana, spektrofotometria, spektroskopia rentgenowska i szereg innych.
Analiza widm absorpcji opiera się na badaniu widm absorpcji promieniowania elektromagnetycznego. Analiza spektralna emisji przeprowadzana jest na podstawie widm emisyjnych wzbudzonych atomów, cząsteczek lub jonów różne sposoby.
Analiza widmowa jest często nazywana tylko analizą widmową emisji atomowej, która opiera się na badaniu widm emisyjnych wolnych atomów i jonów w fazie gazowej. Przeprowadzany jest w zakresie długości fal 150-800 nm. Próbka badanej substancji jest wprowadzana do źródła promieniowania, po czym następuje w nim odparowanie i dysocjacja cząsteczek, a także wzbudzenie powstałych jonów. Emitują promieniowanie, które jest rejestrowane przez urządzenie rejestrujące urządzenia spektralnego.
Widma próbek są porównywane z widmami znanych pierwiastków, które można znaleźć w odpowiednich tabelach linii widmowych. W ten sposób znany jest skład analitu. Analiza ilościowa odnosi się do stężenia danego pierwiastka w analicie. Rozpoznaje się ją po wielkości sygnału, na przykład po stopniu zaczernienia lub gęstości optycznej linii na kliszy fotograficznej, po natężeniu strumienia światła na odbiorniku fotoelektrycznym.
Ciągłe widmo promieniowania dają substancje znajdujące się w stanie stałym lub ciekłym, a także gęste gazy. W takim widmie nie ma przerw, zawiera fale o wszystkich długościach fal. Jego charakter zależy nie tylko od właściwości poszczególnych atomów, ale także od ich wzajemnego oddziaływania.
Widmo emisji liniowej jest charakterystyczne dla substancji w stanie gazowym, podczas gdy atomy prawie nie oddziałują ze sobą. Faktem jest, że izolowane atomy jednego pierwiastka chemicznego emitują fale o ściśle określonej długości fali.
Wraz ze wzrostem gęstości gazu linie widmowe zaczynają się rozszerzać. Aby zaobserwować takie widmo, wykorzystuje się blask wyładowania gazowego w rurce lub parę substancji w płomieniu. Jeśli białe światło przechodzi przez nie emitujący gaz, ciemne linie widma absorpcyjnego pojawią się na tle ciągłego widma źródła. Gaz najintensywniej pochłania światło o tych długościach fal, które emituje po podgrzaniu.
Ministerstwo Edukacji i Nauki
Republika Kazachstanu
Karaganda Uniwersytet stanowy
nazwany na cześć E.A. Buketowa
Wydział Fizyki
Zakład Optyki i Spektroskopii
Kurs pracy
na temat:
Widma. Z analiza spektralna i jej zastosowanie.
Przygotowane przez:
uczeń grupy FTRF-22
Achtariew Dmitrij.
Sprawdzony:
nauczyciel
Kusenova Asiya Sabirgalievna
Karaganda - 2003 Plan
Wstęp
1. Energia w widmie
2. Rodzaje widm
3. Analiza spektralna i jej zastosowanie
4. Urządzenia spektralne
5. Widmo promieniowania elektromagnetycznego
Wniosek
Lista wykorzystanej literatury
Wstęp
Badanie widma liniowego substancji pozwala określić, z jakich pierwiastków chemicznych się składa i ile każdy pierwiastek jest zawarty w tej substancji.
Zawartość ilościową pierwiastka w badanej próbce określa się przez porównanie intensywności poszczególnych linii widma tego pierwiastka z intensywnością linii innego pierwiastka chemicznego, którego zawartość ilościowa w próbce jest znana.
Metoda określania składu jakościowego i ilościowego substancji na podstawie jej widma nazywana jest analizą spektralną. Analiza spektralna jest szeroko stosowana w eksploracji minerałów w celu określenia składu chemicznego próbek rudy. W przemyśle analiza spektralna umożliwia kontrolowanie składów wprowadzanych do metali stopów i zanieczyszczeń w celu uzyskania materiałów o pożądanych właściwościach.
Zaletami analizy spektralnej są wysoka czułość i szybkie wyniki. Za pomocą analizy spektralnej możliwe jest wykrycie obecności złota w próbce o masie 6*10 -7 g, podczas gdy jej masa wynosi tylko 10 -8 g. Oznaczenie gatunku stali metodą analizy spektralnej można przeprowadzić w kilkadziesiąt sekund .
Analiza spektralna umożliwia określenie składu chemicznego ciał niebieskich oddalonych o miliardy lat świetlnych od Ziemi. Skład chemiczny atmosfer planet i gwiazd, zimnego gazu w przestrzeni międzygwiazdowej określają widma absorpcyjne.
Badając widma, naukowcy byli w stanie określić nie tylko skład chemiczny ciał niebieskich, ale także ich temperaturę. Przesunięcie linii widmowych można wykorzystać do określenia prędkości ciała niebieskiego.
Energia w widmie.
Źródło światła musi zużywać energię. Światło to fale elektromagnetyczne o długości fali 4 * 10 -7 - 8 * 10 -7 m. Fale elektromagnetyczne są emitowane podczas przyspieszonego ruchu naładowanych cząstek. Te naładowane cząstki są częścią atomów. Ale nie wiedząc, jak ułożony jest atom, nie można nic wiarygodnego powiedzieć o mechanizmie promieniowania. Jasne jest tylko, że w atomie nie ma światła, tak jak nie ma dźwięku w strunie fortepianu. Jak struna, która zaczyna brzmieć dopiero po uderzeniu młotkiem, atomy rodzą światło dopiero po pobudzeniu.
Aby atom mógł promieniować, musi przekazywać energię. Promieniując, atom traci energię, którą otrzymał, a do ciągłego świecenia substancji konieczny jest dopływ energii do jego atomów z zewnątrz.
Promieniowanie cieplne. Najprostszym i najczęstszym rodzajem promieniowania jest promieniowanie cieplne, w którym utrata energii przez atomy na emisję światła jest kompensowana energią ruch termiczny atomy lub (cząsteczki) ciała promieniującego. Im wyższa temperatura ciała, tym szybciej poruszają się atomy. Kiedy szybkie atomy (cząsteczki) zderzają się ze sobą, część ich energii kinetycznej jest zamieniana na energię wzbudzenia atomów, które następnie emitują światło.
Źródłem ciepła promieniowania jest Słońce, a także zwykła żarówka. Lampa jest bardzo wygodnym, ale nieekonomicznym źródłem. Tylko około 12% całkowitej energii uwalnianej w lampie wstrząs elektryczny, zamienia się w energię świetlną. Źródłem ciepła światła jest płomień. Ziarna sadzy są ogrzewane energią uwalnianą podczas spalania paliwa i emitują światło.
Elektroluminescencja. Energię potrzebną atomom do emitowania światła można również pożyczyć ze źródeł nietermicznych. Podczas rozładowywania w gazach pole elektryczne przekazuje elektronom więcej energii kinetycznej. Szybkie elektrony zderzają się z atomami. Część energii kinetycznej elektronów trafia na wzbudzenie atomów. Wzbudzone atomy wydzielają energię w postaci fal świetlnych. Z tego powodu wyładowaniu w gazie towarzyszy poświata. To jest elektroluminescencja.
katodoluminescencja. Blask ciał stałych spowodowany ich bombardowaniem elektronami nazywa się katodoluminescencją. Katodoluminescencja sprawia, że ekrany kineskopów w telewizorach świecą.
Chemiluminescencja. Dla niektórych reakcje chemiczne, idąc z uwolnieniem energii, część tej energii jest bezpośrednio zużywana na emisję światła. Źródło światła pozostaje zimne (ma temperaturę środowisko). Zjawisko to nazywa się chemioluminescencją.
Fotoluminescencja.Światło padające na substancję jest częściowo odbijane, a częściowo pochłaniane. Energia pochłanianego światła w większości przypadków powoduje jedynie nagrzewanie się ciał. Jednak niektóre ciała same zaczynają świecić bezpośrednio pod wpływem padającego na nie promieniowania. To jest fotoluminescencja. Światło pobudza atomy materii (zwiększa ich energię wewnętrzną), po czym same zostają podświetlone. Na przykład świecące farby, które pokrywają wiele ozdób choinkowych, po naświetleniu emitują światło.
Światło emitowane podczas fotoluminescencji ma z reguły dłuższą długość fali niż światło wzbudzające poświatę. Można to zaobserwować eksperymentalnie. Jeśli wiązka światła przepuszczona przez filtr światła fioletowego zostanie skierowana na naczynie z fluoresceitem (barwnikiem organicznym), to ciecz ta zaczyna świecić światłem zielono-żółtym, czyli o większej długości fali niż światło fioletowe.
Zjawisko fotoluminescencji jest szeroko stosowane w świetlówkach. Radziecki fizyk S. I. Wawiłow zaproponował pokrycie wewnętrzna powierzchnia rura wyładowcza z substancjami zdolnymi do jasnego świecenia pod działaniem krótkofalowego promieniowania wyładowania gazowego. Lampy fluorescencyjne są około trzy do czterech razy bardziej ekonomiczne niż tradycyjne żarówki.
Wymieniono główne rodzaje promieniowania i źródła, które je tworzą. Najczęstsze źródła promieniowania to źródła termiczne.
Rozkład energii w widmie.Żadne ze źródeł nie daje światła monochromatycznego, czyli światła o ściśle określonej długości fali. Przekonują nas o tym eksperymenty z rozkładem światła na widmo za pomocą pryzmatu, a także eksperymenty z interferencją i dyfrakcją.
Energia, którą niesie ze sobą światło ze źródła, jest w określony sposób rozprowadzana na falach o wszystkich długościach tworzących wiązkę światła. Możemy również powiedzieć, że energia jest rozłożona na częstotliwości, ponieważ istnieje prosta zależność między długością fali a częstotliwością: ђv = c.
Gęstość strumienia promieniowania elektromagnetycznego, czyli intensywność /, jest określana przez energię i W przypisaną wszystkim częstotliwościom. Aby scharakteryzować rozkład promieniowania w zakresie częstotliwości, konieczne jest wprowadzenie nowej wartości: natężenia na jednostkę przedziału częstotliwości. Wartość ta nazywana jest gęstością widmową natężenia promieniowania.
Gęstość widmową strumienia promieniowania można znaleźć eksperymentalnie. Aby to zrobić, konieczne jest uzyskanie widma promieniowania za pomocą pryzmatu, na przykład łuk elektryczny, i zmierzyć gęstość strumienia promieniowania na małe przedziały widmowe o szerokości Av.
Nie można polegać na oku przy szacowaniu dystrybucji energii. Oko ma selektywną wrażliwość na światło: maksymalna czułość leży w żółto-zielonym obszarze widma. Najlepiej wykorzystać właściwość czarnego ciała do prawie całkowitego pochłaniania światła o wszystkich długościach fal. W tym przypadku energia promieniowania (czyli światła) powoduje nagrzewanie się organizmu. Dlatego wystarczy zmierzyć temperaturę ciała i wykorzystać ją do oceny ilości energii pochłoniętej w jednostce czasu.
Zwykły termometr jest zbyt czuły, aby mógł być z powodzeniem używany w takich eksperymentach. Potrzebne są bardziej czułe przyrządy do pomiaru temperatury. Możesz wziąć termometr elektryczny, w którym czuły element wykonany jest w postaci cienkiej metalowej płytki. Ta płyta musi być pokryta cienką warstwą sadzy, która prawie całkowicie pochłania światło o dowolnej długości fali.
Płytka termoczuła instrumentu powinna być umieszczona w tym lub innym miejscu widma. Całe widzialne widmo długości l od promieni czerwonych do fioletu odpowiada przedziałowi częstotliwości od v kr do y f. Szerokość odpowiada małemu przedziałowi Av. Ogrzewając czarną płytkę urządzenia, można ocenić gęstość strumienia promieniowania w przedziale częstotliwości Av. Przesuwając płytkę wzdłuż widma, stwierdzamy, że większość energii znajduje się w czerwonej części widma, a nie w żółto-zielonej, jak się wydaje.
Na podstawie wyników tych eksperymentów można wykreślić zależność gęstości widmowej natężenia promieniowania od częstotliwości. Gęstość widmowa natężenia promieniowania jest określona przez temperaturę płytki, a częstotliwość nie jest trudna do znalezienia, jeśli urządzenie służące do rozkładu światła jest skalibrowane, czyli jeśli wiadomo, jakiej częstotliwości odpowiada dany odcinek widma do.
Wykreślając wzdłuż osi odciętej wartości częstotliwości odpowiadające środkom przedziałów Av, a wzdłuż osi rzędnych gęstość widmową natężenia promieniowania, otrzymujemy szereg punktów, przez które można poprowadzić gładką krzywą. Ta krzywa daje wizualną reprezentację rozkładu energii i widzialnej części widma łuku elektrycznego.
Rodzaje widm.
Skład spektralny promieniowania różnych substancji jest bardzo zróżnicowany. Ale mimo to wszystkie widma, jak pokazuje doświadczenie, można podzielić na trzy typy, które bardzo się od siebie różnią.
Widma ciągłe.
Widmo słoneczne lub widmo światła łukowego jest ciągłe. Oznacza to, że w widmie reprezentowane są wszystkie długości fal. W widmie nie ma nieciągłości, a na ekranie spektrografu widać ciągłe wielokolorowe pasmo.
Rozkład częstotliwości energii, tj. gęstość widmowa natężenia promieniowania, jest różny dla różnych ciał. Na przykład ciało o bardzo czarnej powierzchni promieniuje falami elektromagnetycznymi o wszystkich częstotliwościach, ale krzywa zależności gęstości widmowej natężenia promieniowania od częstotliwości ma maksimum przy określonej częstotliwości. Energia promieniowania przypisywana bardzo małym i bardzo wysokim częstotliwościom jest pomijalna. Wraz ze wzrostem temperatury maksymalna gęstość widmowa promieniowania przesuwa się w kierunku fal krótkich.
Widma ciągłe (lub ciągłe), jak pokazuje doświadczenie, dają ciała w stanie stałym lub ciekłym, a także silnie sprężone gazy. Aby uzyskać ciągłe widmo, musisz ogrzać ciało do wysokiej temperatury.
Charakter widma ciągłego i sam fakt jego istnienia determinowane są nie tylko właściwościami poszczególnych atomów promieniujących, ale także zależą w dużej mierze od wzajemnego oddziaływania atomów.
Widmo ciągłe jest również wytwarzane przez plazmę wysokotemperaturową. Fale elektromagnetyczne są emitowane przez plazmę głównie wtedy, gdy elektrony zderzają się z jonami.
Widma liniowe.
Wnieśmy się w blady płomień palnik gazowy kawałek azbestu nasączony roztworem zwykłego sól kuchenna. Podczas obserwacji płomienia przez spektroskop jasnożółta linia miga na tle ledwo dostrzegalnego ciągłego widma płomienia. Tę żółtą linię wyznacza para sodu, która powstaje podczas rozszczepiania cząsteczek chlorku sodu w płomieniu. Na spektroskopie widać również palisadę kolorowych linii o różnej jasności, oddzielonych szerokimi ciemnymi pasami. Takie widma nazywają się rządził. Obecność widma liniowego oznacza, że substancja emituje światło tylko o określonych długościach fal (dokładniej w pewnych bardzo wąskich przedziałach spektralnych). Każda z linii ma skończoną szerokość.
Widma liniowe oddają wszystkie substancje w atomie gazowym ( ale nie molekularny stan : schorzenie. W tym przypadku światło emitowane jest przez atomy, które praktycznie nie wchodzą ze sobą w interakcje. Jest to najbardziej podstawowy, podstawowy rodzaj widm.
Izolowane atomy danego pierwiastka chemicznego emitują ściśle określone długości fal.
Zwykle widma liniowe obserwuje się za pomocą jarzenia par substancji w płomieniu lub jarzenia wyładowania gazowego w rurce wypełnionej badanym gazem.
Wraz ze wzrostem gęstości gazu atomowego poszczególne linie widmowe rozszerzają się i wreszcie przy bardzo dużej gęstości gazu, gdy oddziaływanie atomów staje się znaczące, linie te nakładają się na siebie, tworząc ciągłe widmo.
Widma w paski.
Widmo prążkowane składa się z pojedynczych pasm oddzielonych ciemnymi przerwami. Przy pomocy bardzo dobrego aparatu spektralnego można stwierdzić, że każde pasmo jest zbiorem dużej liczby bardzo blisko siebie rozmieszczonych linii. W przeciwieństwie do widm liniowych, widma prążkowane są wytwarzane nie przez atomy, ale przez cząsteczki, które nie są ze sobą związane lub słabo związane.
Aby obserwować widma molekularne, a także obserwować widma liniowe, zwykle wykorzystuje się poświatę par w płomieniu lub poświatę wyładowania gazowego.
Widma absorpcyjne.
Wszystkie substancje, których atomy znajdują się w stanie wzbudzonym, emitują fale świetlne, których energia rozkłada się w określony sposób na długości fal. Absorpcja światła przez substancję zależy również od długości fali. Tak więc czerwone szkło przepuszcza fale odpowiadające czerwonemu światłu (l»8 10 -5 cm) i pochłania całą resztę.
Jeśli białe światło przechodzi przez zimny, nie promieniujący gaz, wówczas na tle ciągłego widma źródła pojawiają się ciemne linie. Gaz najintensywniej pochłania światło o dokładnie tych długościach fal, które emituje, gdy jest bardzo gorący. Ciemne linie na tle widma ciągłego to linie absorpcyjne, które razem tworzą widmo absorpcyjne.
Istnieją widma emisyjne ciągłe, liniowe i paskowe oraz taka sama liczba widm absorpcyjnych.
Ważne jest, aby wiedzieć, z czego zbudowane są ciała wokół nas. Opracowano wiele metod określania ich składu. Ale skład gwiazd i galaktyk można poznać tylko za pomocą analizy spektralnej.
Analiza spektralna i jej zastosowanie
Widma liniowe odgrywają szczególnie ważną rolę, ponieważ ich budowa jest bezpośrednio związana ze strukturą atomu. W końcu te widma są tworzone przez atomy, które nie doświadczają wpływy zewnętrzne. Dlatego zapoznając się z widmami liniowymi, robimy tym samym pierwszy krok w kierunku zbadania budowy atomów. Obserwując te widma, naukowcy byli w stanie „zajrzeć” do wnętrza atomu. Tutaj optyka wchodzi w bliski kontakt z fizyką atomową.
Główną właściwością widm liniowych jest to, że długości fal (lub częstotliwości) widma liniowego substancji zależą tylko od właściwości atomów tej substancji, ale są całkowicie niezależne od metody wzbudzenia luminescencji atomów. Atomy dowolnego pierwiastka chemicznego emitują widmo w przeciwieństwie do widm wszystkich innych pierwiastków: są w stanie emitować ściśle określony zestaw długości fal.
Oparte na tym widmowy analiza- metoda określania składu chemicznego substancji na podstawie jej widma. Podobnie jak ludzkie odciski palców, widma liniowe mają wyjątkową osobowość. Wyjątkowość wzorów na skórze palca często pomaga w odnalezieniu przestępcy. W ten sam sposób, ze względu na indywidualność widm, możliwe jest określenie składu chemicznego organizmu. Za pomocą analizy spektralnej można wykryć ten pierwiastek w składzie złożonej substancji, nawet jeśli jego masa nie przekracza 10 -10. To bardzo czuła metoda.
Ilościowa analiza składu substancji według jej widma jest trudna, ponieważ jasność linii widmowych zależy nie tylko od masy substancji, ale także od metody wzbudzenia poświaty. Tak więc w niskich temperaturach wiele linii widmowych w ogóle się nie pojawia. Jednak w standardowych warunkach wzbudzenia luminescencji można również przeprowadzić ilościową analizę widmową.
Obecnie wyznaczono widma wszystkich atomów i sporządzono tabele widm. Za pomocą analizy spektralnej odkryto wiele nowych pierwiastków: rubid, cez itp. Pierwiastki często nazywano według koloru najbardziej intensywnych linii widma. Rubidium daje ciemnoczerwone, rubinowe linie. Słowo cez oznacza „błękit nieba”. To jest kolor głównych linii widma cezu.
To dzięki analizie spektralnej poznali skład chemiczny Słońca i gwiazd. Inne metody analizy są tutaj generalnie niemożliwe. Okazało się, że gwiazdy składają się z tych samych pierwiastków chemicznych, które znajdują się na Ziemi. Ciekawe, że hel został pierwotnie odkryty na Słońcu, a dopiero potem znaleziony w ziemskiej atmosferze. Nazwa tego pierwiastka nawiązuje do historii jego odkrycia: słowo hel oznacza „słonecznie”.
Ze względu na swoją porównawczą prostotę i wszechstronność analiza spektralna jest główną metodą monitorowania składu substancji w metalurgii, inżynierii mechanicznej i przemyśle jądrowym. Za pomocą analizy spektralnej określa się skład chemiczny rud i minerałów.
Skład złożonych, głównie organicznych mieszanin jest analizowany na podstawie ich widm molekularnych.
Analizę spektralną można przeprowadzić nie tylko z widm emisyjnych, ale także z widm absorpcyjnych. To właśnie linie absorpcyjne w widmie Słońca i gwiazd umożliwiają badanie składu chemicznego tych ciał niebieskich. Jasno świecąca powierzchnia Słońca - fotosfera - daje ciągłe widmo. słoneczna atmosfera selektywnie pochłania światło z fotosfery, co prowadzi do pojawienia się linii absorpcyjnych na tle ciągłego widma fotosfery.
Ale sama atmosfera Słońca emituje światło. Podczas zaćmień Słońca, gdy dysk słoneczny jest zasłonięty przez Księżyc, linie widma ulegają odwróceniu. Zamiast linii absorpcyjnych w widmie słonecznym, migają linie emisyjne.
W astrofizyce analiza spektralna rozumiana jest nie tylko w celu określenia składu chemicznego gwiazd, obłoków gazowych itp., ale także w celu znalezienia wielu innych Charakterystyka fizyczna obiekty te: temperatura, ciśnienie, prędkość, indukcja magnetyczna.
Oprócz astrofizyki analiza spektralna jest szeroko stosowana w kryminalistyce do badania dowodów znalezionych na miejscu przestępstwa. Również analiza spektralna w kryminalistyce pomaga określić narzędzie zbrodni i ogólnie ujawnić pewne szczegóły przestępstwa.
Analiza spektralna znajduje jeszcze szersze zastosowanie w medycynie. Tutaj jego zastosowanie jest bardzo szerokie. Może służyć do diagnozowania, a także do oznaczania obcych substancji w organizmie człowieka.
Analiza spektralna rozwija nie tylko naukę, ale także sferę publiczną ludzka aktywność.
Analiza spektralna wymaga specjalnych instrumentów spektralnych, które rozważymy dalej.
Aparat spektralny
Do dokładnego badania widm nie wystarczają już tak proste urządzenia jak wąska szczelina ograniczająca wiązkę światła i pryzmat. Potrzebne są instrumenty dające wyraźne widmo, czyli takie, które dobrze separują fale o różnych długościach i nie pozwalają na nakładanie się poszczególnych odcinków widma. Takie urządzenia nazywane są urządzeniami spektralnymi. Najczęściej główną częścią aparatu spektralnego jest pryzmat lub siatka dyfrakcyjna.
Rozważ schemat urządzenia pryzmatycznego aparatu spektralnego. Badane promieniowanie najpierw wchodzi do części urządzenia zwanej kolimatorem. Kolimator to tuba, której na jednym końcu znajduje się ekran z wąską szczeliną, a na drugim soczewka skupiająca. Przerwa jest włączona długość ogniskowa z obiektywu. Dlatego rozbieżna wiązka światła, która wpada do soczewki ze szczeliny, wychodzi z niej w wiązce równoległej i pada na pryzmat.
Ponieważ różne częstotliwości odpowiadają różnym współczynnikom załamania, z pryzmatu wychodzą równoległe wiązki, które nie pokrywają się w kierunkach. Padają na obiektyw. Na ogniskowej tego obiektywu znajduje się ekran - matowe szkło lub kliszy fotograficznej. Obiektyw skupia na ekranie równoległe wiązki promieni, a zamiast pojedynczego obrazu szczeliny uzyskuje się całą serię obrazów. Każda częstotliwość (wąski przedział spektralny) ma swój własny obraz. Wszystkie te obrazy razem tworzą spektrum.
Opisany instrument nazywa się spektrografem. Jeśli zamiast drugiego obiektywu i ekranu do wizualnej obserwacji widm używany jest teleskop, to urządzenie nazywa się spektroskopem. Pryzmaty i inne detale urządzeń spektralnych niekoniecznie są wykonane ze szkła. Zamiast szkła stosuje się również materiały przezroczyste, takie jak kwarc, sól kamienna itp.
Zapoznałeś się z nową wielkością - gęstością widmową natężenia promieniowania. Dowiedzieliśmy się, co znajduje się w obudowie aparatu spektralnego.
Skład spektralny promieniowania substancji jest bardzo zróżnicowany. Ale mimo to wszystkie widma, jak pokazuje doświadczenie, można podzielić na trzy typy.
Właściwości promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elektromagnetyczne o różnych długościach fal ma sporo różnic, ale wszystkie one, od fal radiowych po promieniowanie gamma, są jednym fizyczna natura. Wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego w większym lub mniejszym stopniu wykazują właściwości interferencyjne, dyfrakcyjne i polaryzacyjne charakterystyczne dla fal. Jednocześnie wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego w mniejszym lub większym stopniu wykazują właściwości kwantowe.
Wspólne dla wszystkich promieniowania elektromagnetycznego są mechanizmy ich powstawania: fale elektromagnetyczne o dowolnej długości fali mogą wystąpić podczas przyspieszonego ruchu ładunków elektrycznych lub podczas przejść cząsteczek, atomów lub jąder atomowych z jednego stan kwantowy w inny. Oscylacjom harmonicznych ładunków elektrycznych towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości równej częstotliwości oscylacji ładunku.
Fale radiowe. Przy oscylacjach występujących przy częstotliwościach od 10 5 do 10 12 Hz powstaje promieniowanie elektromagnetyczne, którego długości fal mieszczą się w zakresie od kilku kilometrów do kilku milimetrów. Ta sekcja skali promieniowania elektromagnetycznego dotyczy zakresu fal radiowych. Fale radiowe są wykorzystywane do komunikacji radiowej, telewizyjnej i radarowej.
Promieniowanie podczerwone. Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali mniejszej niż 1-2 mm, ale większej niż 8 * 10 -7 m, tj. leżące pomiędzy zasięgiem fal radiowych a zasięgiem światła widzialnego nazywane są promieniowaniem podczerwonym.
Obszar widma poza jego czerwoną krawędzią został po raz pierwszy zbadany eksperymentalnie w 1800 roku. Angielski astronom William Herschel (1738-1822). Herschel umieścił termometr z czarną bańką poza czerwonym końcem widma i wykrył wzrost temperatury. Żarówka termometru została nagrzana promieniowaniem niewidocznym dla oka. To promieniowanie nazywa się promieniami podczerwonymi.
Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde ogrzane ciało. Źródła promieniowanie podczerwone stosowane są piece, akumulatory do podgrzewania wody, żarówki elektryczne.
Przez urządzenia specjalne Promieniowanie podczerwone można zamienić na światło widzialne, a obrazy nagrzanych obiektów można uzyskać w całkowitej ciemności. Promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest do suszenia wyrobów malowanych, ścian budynków, drewna.
Znaczenie tej części widma promieniowania elektromagnetycznego w życiu człowieka jest niezwykle wysokie, ponieważ człowiek otrzymuje prawie wszystkie informacje o otaczającym go świecie za pomocą wzroku.
Światło jest warunek wstępny rozwój roślin zielonych, a co za tym idzie, warunek konieczny o istnienie życia na Ziemi.
Promieniowanie ultrafioletowe. W 1801 roku niemiecki fizyk Johann Ritter (1776 - 1810), badając widmo, odkrył, że poza jego fioletową krawędzią znajduje się obszar utworzony przez promienie niewidoczne dla oka. Promienie te wpływają na niektóre związki chemiczne. Pod wpływem tych niewidzialnych promieni następuje rozkład chlorku srebra, blask kryształów siarczku cynku i niektórych innych kryształów.
niewidoczne dla oka promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło fioletowe nazywa się promieniowaniem ultrafioletowym. Promieniowanie ultrafioletowe obejmuje promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie długości fal od 4*10 -7 do 1*10 -8 m.
Promieniowanie ultrafioletowe jest zdolne do zabijania bakterii chorobotwórczych, dlatego jest szeroko stosowane w medycynie. Promieniowanie ultrafioletowe w składzie światła słonecznego powoduje procesy biologiczne, które prowadzą do ciemnienia ludzkiej skóry - oparzeń słonecznych.
Lampy wyładowcze są wykorzystywane w medycynie jako źródła promieniowania ultrafioletowego. Rurki takich lamp są wykonane z kwarcu, przezroczystego dla promieni ultrafioletowych; dlatego te lampy nazywane są lampami kwarcowymi.
promienie rentgenowskie. Jeśli w lampie próżniowej między rozgrzaną katodą emitującą elektron i anodę przyłoży się stałe napięcie kilkudziesięciu tysięcy woltów, to elektrony najpierw przyspieszą pole elektryczne, a następnie gwałtownie zwalnia w materiale anodowym podczas interakcji z jego atomami. Podczas zwalniania szybkich elektronów w materii lub podczas przejść elektronowych na wewnętrznych powłokach atomów powstają fale elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie to zostało odkryte w 1895 roku przez niemieckiego fizyka Wilhelma Roentgena (1845-1923). Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie długości fal od 10 -14 do 10 -7 m nazywamy promieniami rentgenowskimi.
Promienie rentgenowskie są niewidoczne dla oka. Przechodzą bez znaczącej absorpcji przez znaczne warstwy materiału nieprzezroczystego dla światła widzialnego. Promienie rentgenowskie są wykrywane przez ich zdolność do powodowania pewnego blasku niektórych kryształów i oddziaływania na kliszę fotograficzną.
Zdolność promieni rentgenowskich do penetracji grubych warstw materii jest wykorzystywana do diagnozowania chorób. narządy wewnętrzne osoba. W inżynierii promienie rentgenowskie są wykorzystywane do kontroli wewnętrznej struktury różnych produktów, spoin. Promieniowanie rentgenowskie ma silne działanie biologiczne i jest stosowane w leczeniu niektórych chorób.
Promieniowanie gamma. Promieniowanie gamma nazywamy promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym przez wzbudzone jądra atomowe i powstającym w wyniku interakcji cząstek elementarnych.
Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne o najkrótszej długości fali (l < 10 -10 m). Jego cechą są wyraźne właściwości korpuskularne. Dlatego promieniowanie gamma jest zwykle traktowane jako strumień cząstek - promieni gamma. W zakresie długości fal od 10 -10 do 10 -14 oraz nakładających się zakresów promieniowania rentgenowskiego i gamma, w tym obszarze promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma mają identyczny charakter i różnią się jedynie pochodzeniem.
W początek XIX w. stwierdzono, że powyżej (wzdłuż długości fali) czerwona część widma światła widzialnego jest niewidoczna dla oka podczerwień część widma, a poniżej fioletowa część widma światła widzialnego jest niewidoczna UV część spektrum.
Długości fal promieniowania podczerwonego wahają się od
3·10 -4 do 7,6·10 -7 m. Najbardziej charakterystyczną właściwością tego promieniowania jest efekt cieplny. Każde ciało jest źródłem podczerwieni. Natężenie tego promieniowania jest tym wyższe, im wyższa jest temperatura ciała. Promieniowanie podczerwone badane jest za pomocą termopar i bolometrów. Zasada działania noktowizorów opiera się na wykorzystaniu promieniowania podczerwonego.
Długości fal promieniowania ultrafioletowego mieszczą się w zakresie od
4·10 -7 do 6·10 -9 m. Najbardziej charakterystyczną właściwością tego promieniowania jest jego działanie chemiczne i biologiczne. Promieniowanie ultrafioletowe powoduje zjawisko efektu fotoelektrycznego, świecenie wielu substancji ( fluorescencja i fosforescencja). Zabija drobnoustroje chorobotwórcze, powoduje oparzenia słoneczne i tak dalej.
W nauce do badania cząsteczek i atomów materii wykorzystuje się promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe.
Na ekranie za pryzmatem refrakcyjnym kolory monochromatyczne w widmie są ułożone w następującej kolejności: czerwony (mający największą długość fali l k \u003d 7,6 10 -7 m wśród fal światła widzialnego i najmniejszy współczynnik załamania), pomarańczowy, żółty , zielony, niebieski, niebieski i fioletowy (o najmniejszej długości fali w zakresie widzialnym l f =4·10 -7 m i największym współczynniku załamania).
Tak więc analiza spektralna jest wykorzystywana w prawie wszystkich najważniejszych obszarach ludzkiej działalności: w medycynie, kryminalistyce, przemyśle i innych gałęziach przemysłu, które istnieją dla dobra ludzkości. Zatem analiza spektralna jest jedną z krytyczne aspekty rozwój nie tylko postępu naukowego, ale także samego poziomu życia ludzkiego.
1. Warsztaty fizyczne „Elektryczność i magnetyzm” pod redakcją prof. V.I. Iweronowej. Wydawnictwo „Nauka”, M. - 1968.
2. D.V. Sivukhin, Ogólny kurs fizyki. jądrowe i Fizyka nuklearna. Część 1. Fizyka atomowa. Wydawnictwo "Nauka", Moskwa - 1986.
3. N.N. Evgrafova, V.L. Kagana „Kurs fizyki dla wydziałów przygotowawczych uniwersytetów”. Wydawnictwo „Szkoła Wyższa”, Moskwa - 1978.
4. B.M. Yavorsky, Yu.A. Seleznev „Przewodnik po fizyce dla kandydatów na uniwersytety i samokształcenie”. Wydawnictwo "Nauka", Moskwa - 1984.
5. O.F. Kabardin „Fizyka”. Wydawnictwo „Oświecenie”, M. - 1991.
Kirchhoff i Bunsen jako pierwsi podjęli próbę analizy spektralnej w 1859 roku. Dwóch stworzyło spektroskop, który wygląda jak rura nieregularny kształt. Z jednej strony znajdował się otwór (kolimator), do którego wpadały badane promienie światła. Wewnątrz rury znajdował się pryzmat, który odbijał promienie i kierował je w stronę kolejnego otworu w rurze. Na wyjściu fizycy mogli zobaczyć rozkład światła na widmo.
Naukowcy postanowili przeprowadzić eksperyment. Zaciemnił pokój i zakrył okno grube zasłony, zapalili świecę w pobliżu szczeliny kolimatora, a następnie wzięli kawałki różnych substancji i wstrzyknęli je do płomienia świecy, obserwując, czy zmienia się widmo. I okazało się, że gorące opary każdej substancji dawały inne widma! Ponieważ pryzmat ściśle oddzielał promienie i nie pozwalał na nakładanie się na siebie, możliwe było dokładne zidentyfikowanie substancji z powstałego widma.
Następnie Kirchhoff przeanalizował widmo Słońca, stwierdzając, że w jego chromosferze obecne są pewne pierwiastki chemiczne. To dało początek astrofizyce.
Do analizy spektralnej potrzebna jest bardzo mała ilość substancji. Metoda ta jest niezwykle czuła i bardzo szybka, co pozwala nie tylko na zastosowanie jej do różnorodnych potrzeb, ale także sprawia, że czasami po prostu niezastąpiona. Wiadomo na pewno, że każdy układ okresowy pierwiastków emituje specjalne widmo, tylko dla niego samego, dlatego przy poprawnie przeprowadzonej analizie widmowej popełnienie błędu jest prawie niemożliwe.
Analiza spektralna jest atomowa i molekularna. Za pomocą analizy atomowej można określić odpowiednio skład atomowy substancji, a za pomocą analizy molekularnej skład cząsteczkowy.
Spektrum można zmierzyć na dwa sposoby: emisję i absorpcję. Analiza widma emisyjnego polega na zbadaniu, jakie widmo emitują wybrane atomy lub cząsteczki. Aby to zrobić, trzeba im dać energię, to znaczy ich podniecić. Natomiast analizę absorpcyjną przeprowadza się na widmie absorpcyjnym badania elektromagnetycznego skierowanego na obiekty.
Analiza spektralna może być wykorzystana do pomiaru wielu różne cechy substancje, cząstki, a nawet duże ciała fizyczne (na przykład obiekty kosmiczne). Dlatego analiza spektralna jest dalej podzielona na: różne metody. Aby uzyskać wynik wymagany do konkretnego zadania, należy dobrać odpowiedni sprzęt, długość fali do badania widma, a także sam region widma.
Współczesna nauka i technika są nie do pomyślenia bez znajomości składu chemicznego substancji będących przedmiotem działalności człowieka. Minerały znalezione przez geologów oraz nowe substancje i materiały pozyskiwane przez chemików charakteryzują się przede wszystkim składem chemicznym. Dla prawidłowego zarządzania procesy technologiczne w wielu różnych branżach Gospodarka narodowa wymaga dokładnej znajomości składu chemicznego surowca, półproduktów i produktów gotowych.
Szybki rozwój technologii nakłada nowe wymagania na metody analizy materii. Jeszcze do niedawna można było ograniczyć się do oznaczania zanieczyszczeń występujących w stężeniach do 10–2–10–3%. Pojawienie się i szybki rozwój w latach powojennych przemysłu materiałów atomowych, a także produkcja twardych, żaroodpornych i innych specjalnych stali i stopów wymagały zwiększenia czułości metod analitycznych na 10–4–10– 6%, gdyż stwierdzono, że obecność zanieczyszczeń nawet w tak małych stężeniach znacząco wpływa na właściwości materiałów i przebieg niektórych procesów technologicznych.
Ostatnio, ze względu na rozwój przemysłu materiały półprzewodnikowe jeszcze wyższe wymagania stawiane są czystości substancji, a co za tym idzie, czułości metod analitycznych – konieczne jest oznaczenie zanieczyszczeń, których zawartość jest całkowicie pomijalna (10-7-10-9%). Oczywiście taka ultra-wysoka czystość substancji jest potrzebna tylko w pojedynczych przypadkach, ale w takim czy innym stopniu zwiększenie czułości analizy stało się niezbędnym wymogiem w prawie wszystkich dziedzinach nauki i technologii.
W produkcji materiały polimerowe stężenie zanieczyszczeń w substancjach wyjściowych (monomerach) było bardzo wysokie – często dziesiąte, a nawet całe procenty. Ostatnio stwierdzono, że jakość wielu gotowych polimerów w dużym stopniu zależy od ich czystości. Dlatego obecnie w początkowych związkach nienasyconych i niektórych innych monomerach bada się obecność zanieczyszczeń, których zawartość nie powinna przekraczać 10–2–10–4%. W geologii coraz częściej stosuje się hydrochemiczne metody eksploracji złóż rud. Do ich pomyślnego zastosowania konieczne jest oznaczenie soli metali w wody naturalne w stężeniu 10-4–10-8 g/l, a nawet mniej.
Podwyższone wymagania stawiane są obecnie nie tylko co do czułości analizy. Wprowadzenie do produkcji nowych procesów technologicznych jest zwykle ściśle związane z rozwojem metod zapewniających wystarczająco dużą szybkość i dokładność analiz. Wraz z tym metody analityczne wymagają wysokiej wydajności i umiejętności automatyzacji poszczególnych operacji lub całej analizy. Chemiczne metody analizy nie zawsze spełniają wymagania współczesnej nauki i techniki. Dlatego też coraz częściej wprowadzane są do praktyki fizykochemiczne i fizyczne metody oznaczania składu chemicznego, które posiadają szereg cennych cech. Wśród tych metod jedno z głównych miejsc jest słusznie zajmowane przez Analiza spektralna.
Ze względu na wysoką selektywność analizy spektralnej jeden i ten sam Schemat obwodu, na tych samych instrumentach do analizy różnych substancji, wybierając w każdym indywidualnym przypadku tylko najwięcej korzystne warunki dla maksymalnej szybkości, czułości i dokładności analizy. Dlatego pomimo ogromnej liczby technik analitycznych przeznaczonych do analizy różnych obiektów, wszystkie opierają się na wspólnej koncepcji.
Analiza spektralna opiera się na badaniu struktury światła emitowanego lub pochłanianego przez analizowaną substancję. Metody analizy spektralnej dzielą się na emisja (emisja - emisja) i wchłanianie (absorpcja - absorpcja).
Rozważ schemat analizy widmowej emisji (ryc. 6.8a). Aby substancja emitowała światło, konieczne jest przekazanie jej dodatkowej energii. Atomy i cząsteczki analitu przechodzą następnie w stan wzbudzony. Wracając do swojego normalnego stanu, wydzielają nadmiar energii w postaci światła. Charakter światła emitowanego przez ciała stałe lub ciecze zwykle w bardzo niewielkim stopniu zależy od składu chemicznego i dlatego nie można go wykorzystać do analizy. Zupełnie inny charakter ma promieniowanie gazów. Decyduje o tym skład analizowanej próbki. W związku z tym w analizie emisji przed wzbudzeniem substancji należy ją odparować.
Ryż. 6.8.
a - emisja: b – wchłanianie: 1 - Źródło światła; 2 – skraplacz oświetleniowy; 3 – kuweta do analizowanej próbki; 4 – urządzenie spektralne; 5 – rejestracja widma; 6 – wyznaczenie długości fali linii lub pasm widmowych; 7 – analiza jakościowa próbki za pomocą tabel i atlasów; 8 – określenie natężenia linii lub pasm; 9 – analiza ilościowa próbki zgodnie z tabelą kalibracji; λ to długość fali; J to intensywność pasm
Parowanie i wzbudzanie odbywa się w źródła światła, do którego wprowadzana jest analizowana próbka. Jako źródła światła stosuje się płomień wysokotemperaturowy lub różnego rodzaju wyładowania elektryczne w gazach: łuk, iskrę itp. Aby uzyskać wyładowanie elektryczne o pożądanej charakterystyce, generatory.
Wysoka temperatura (tysiące i dziesiątki tysięcy stopni) w źródłach światła prowadzi do rozpadu cząsteczek większości substancji na atomy. Dlatego metody emisji służą z reguły do analizy atomowej, a bardzo rzadko do analizy molekularnej.
Promieniowanie źródła światła jest sumą promieniowania atomów wszystkich pierwiastków obecnych w próbce. Do analizy konieczne jest wyizolowanie promieniowania każdego elementu. Odbywa się to za pomocą przyrządów optycznych - urządzenia spektralne, w którym promienie świetlne o różnych długościach fal są od siebie oddzielone w przestrzeni. Promieniowanie źródła światła, rozłożone na długości fal, nazywa się widmem.
Urządzenia spektralne są zaprojektowane w taki sposób, że drgania światła o każdej długości fali wchodzące do urządzenia tworzą jedną linię. Ile różnych fal było obecnych w promieniowaniu źródła światła, tyle linii uzyskuje się w aparacie spektralnym.
Widma atomowe pierwiastków składają się z pojedynczych linii, ponieważ w promieniowaniu atomów występują tylko pewne fale (ryc. 6.9a). W promieniowaniu gorących ciał stałych lub ciekłych występuje światło o dowolnej długości fali. Oddzielne linie w aparacie spektralnym łączą się ze sobą. Takie promieniowanie ma widmo ciągłe (ryc. 6.9e). W przeciwieństwie do widma liniowego atomów, widma emisji molekularnej substancji, które nie uległy rozkładowi w wysokiej temperaturze, są prążkowane (ryc. 6.96). Każdy pas jest utworzony duża liczba blisko rozmieszczone linie.
Światło, rozłożone na widmo w aparacie spektralnym, może być oglądane wizualnie lub rejestrowane za pomocą fotografii lub urządzeń fotoelektrycznych. Konstrukcja aparatu spektralnego zależy od metody rejestracji widma. Widma służą do wizualnej obserwacji widm. spektroskopy – steeloskopy oraz styliometry. Widma są fotografowane za pomocą spektrografy. Urządzenia spektralne - monochromatory - pozwalają na emisję światła o jednej długości fali, po czym można je zarejestrować za pomocą fotokomórki lub innego elektrycznego odbiornika światła.
Ryż. 6.9.
a - podszyty; 6 - w paski; widoczne są poszczególne linie tworzące opaskę; w - solidny. Najciemniejsze miejsca w widmie odpowiadają największemu natężeniu światła (obraz negatywowy); λ to długość fali
Na analiza jakościowa konieczne jest określenie, który pierwiastek emituje jedną lub drugą linię w widmie analizowanej próbki. Aby to zrobić, musisz znaleźć długość fali linii według jej położenia w widmie, a następnie za pomocą tabel określić jej przynależność do tego lub innego elementu. Aby wyświetlić powiększony obraz widma na kliszy fotograficznej i określić długość fali, mikroskopy pomiarowe , projektory widma i inne urządzenia pomocnicze.
Intensywność linii widmowych wzrasta wraz ze stężeniem pierwiastka w próbce. Dlatego do przeprowadzenia analizy ilościowej konieczne jest wyznaczenie natężenia jednej linii spektralnej wyznaczanego pierwiastka. Intensywność linii mierzy się albo przez jej zaczernienie na zdjęciu widma ( spektrogram ) lub natychmiast w zależności od wielkości strumienia światła wychodzącego z aparatu spektralnego. Stopień zaczernienia linii na spektrogramie jest określony przez mikrofotometry.
Zależność między intensywnością linii w widmie a stężeniem pierwiastka w analizowanej próbce ustala się za pomocą standardy - próbki podobne do analizowanych, ale o dokładnie znanym składzie chemicznym. Zależność ta jest zwykle wyrażana w postaci krzywych kalibracyjnych.
Schemat przeprowadzania analizy spektralnej absorpcji (rys. 6.8b) różni się od schematu już rozważanego tylko w początkowej części. Źródłem światła jest podgrzewany solidny lub inne źródło promieniowania ciągłego, tj. promieniowanie o dowolnej długości fali. Analizowaną próbkę umieszcza się pomiędzy źródłem światła a aparatem spektralnym. Widmo substancji składa się z długości fal TC, których intensywność zmniejszała się podczas przechodzenia ciągłego światła przez tę substancję (ryc. 6.10). Wygodnie jest przedstawić graficznie widmo absorpcji substancji, wykreślając długość fali wzdłuż osi odciętej oraz ilość pochłanianego przez substancję światła wzdłuż osi rzędnych.
Ryż. 6.10.
a - fotograficzny; b - graficzny; I to widmo ciągłego źródła światła; II - widmo tego samego promieniowania po przejściu przez analizowaną próbkę
Widma absorpcyjne uzyskuje się za pomocą aparatu spektralnego - spektrofotometry, które obejmują ciągłe źródło światła, monochromator i urządzenie rejestrujące.
Poza tym schematy analizy absorpcji i emisji są takie same.
Analiza widmowa za pomocą widm emisyjnych lub absorpcyjnych obejmuje następujące operacje.
Cały proces wykonywania analizy spektralnej składa się, jak widzieliśmy, z kilku etapów. Te etapy można badać kolejno, niezależnie od siebie, a następnie rozważać ich związek.
Za pomocą analizy spektralnej można określić zarówno skład atomowy (elementarny), jak i molekularny substancji. Analiza spektralna pozwala na jakościowe odkrycie poszczególnych składników analizowanej próbki i ilościowe oznaczenie ich stężeń.
Substancje z bardzo bliskimi właściwości chemiczne, które są trudne lub wręcz niemożliwe do analizy metodami chemicznymi, można łatwo określić spektralnie. Na przykład stosunkowo łatwo jest analizować mieszaninę pierwiastków ziem rzadkich lub mieszaninę gazów obojętnych. Za pomocą analizy spektralnej możliwe jest oznaczenie izomerycznych związków organicznych o bardzo podobnych właściwościach chemicznych.
Metody atomowej analizy spektralnej, zarówno jakościowej, jak i ilościowej, są obecnie znacznie lepiej rozwinięte niż molekularne i mają szersze zastosowanie praktyczne. Atomowa analiza spektralna używane do analizy szerokiej gamy obiektów. Zakres jej zastosowania jest bardzo szeroki: metalurgia żelaza i metali nieżelaznych, inżynieria mechaniczna, geologia, chemia, biologia, astrofizyka i wiele innych gałęzi nauki i przemysłu.
Należy zauważyć, że szerokość i objętość praktyczne zastosowania Analiza widm molekularnych, zwłaszcza w ostatnich czasach, rozwija się szybko i nieprzerwanie. Wynika to przede wszystkim z rozwoju i produkcji sprzętu spektralno-analitycznego do tej metody.
Obszar zastosowania molekularnej analizy spektralnej obejmuje głównie substancje organiczne, choć z powodzeniem można również analizować związki nieorganiczne. Analiza widm molekularnych wprowadzana jest głównie w przemyśle chemicznym, rafineryjnym i chemiczno-farmaceutycznym.
Czułość analizy spektralnej jest bardzo wysoka. Minimalne stężenie analitu, które można wykryć i zmierzyć metodami spektralnymi, różni się znacznie w zależności od właściwości tej substancji i składu analizowanej próbki. Na podstawie bezpośredniej analizy przy oznaczaniu większości metali i szeregu innych pierwiastków stosunkowo łatwo jest osiągnąć czułość 10-3-a dla niektórych substancji, nawet 10-5-1-6%. I tylko w szczególnie niekorzystnych przypadkach czułość spada do 10-1-10-2%. Zastosowanie wstępnej separacji zanieczyszczeń z bazy próbki pozwala na znaczne (często tysiące razy) zwiększenie czułości analizy. Ze względu na wysoką czułość atomowa analiza spektralna jest szeroko stosowana do analizy czystych i ultraczystych metali, w geochemii i gleboznawstwie do oznaczania stężeń śladowych. różne elementy, w tym rzadkich i rozproszonych, w przemyśle materiałów atomowych i półprzewodnikowych.
Czułość molekularnej analizy spektralnej dla różnych substancji jest jeszcze bardziej zróżnicowana. W wielu przypadkach trudno jest określić substancje, których zawartość w analizowanej próbce to procenty i dziesiąte części procenta, ale można też podać przykłady bardzo wysokiej czułości analizy molekularnej 10–7–10–8%. Dokładność atomowej analizy widmowej zależy od składu i struktury analizowanych obiektów. Analizując próbki o podobnej strukturze i składzie, można łatwo uzyskać wysoką dokładność. Błąd w tym przypadku nie przekracza ±1–3% w stosunku do wartości wyznaczonej. Dlatego np. seryjna analiza spektralna metali i stopów jest dokładna. W metalurgii i inżynierii mechanicznej analiza spektralna stała się obecnie główną metodą analityczną.
Dokładność analizy substancji, których skład i struktura jest bardzo zróżnicowana w zależności od próbki, jest znacznie niższa, ale ostatnio sytuacja w tym obszarze wyraźnie się poprawiła. Możliwa stała się ilościowa analiza spektralna rud, minerałów, skał, żużli i podobnych obiektów. Chociaż problem nie został jeszcze całkowicie rozwiązany, analiza ilościowa próbek niemetalicznych jest obecnie szeroko stosowana w wielu gałęziach przemysłu - w metalurgii, geologii, przy produkcji materiałów ogniotrwałych, szkieł i innych wyrobów.
Względny błąd oznaczenia w atomowej analizie spektralnej w niewielkim stopniu zależy od stężenia. Pozostaje prawie stała zarówno przy analizie drobnych zanieczyszczeń i dodatków, jak i oznaczaniu głównych składników próbki. Dokładność metody chemiczne analiza jest znacznie zmniejszona w przejściu do oznaczania zanieczyszczeń. Dlatego analiza widm atomowych jest dokładniejsza niż analiza chemiczna w obszarze niskich stężeń. Przy średnich stężeniach (0,1–1%) analitów dokładność obu metod jest w przybliżeniu taka sama, ale w rejonie wysokich stężeń dokładność analizy chemicznej jest z reguły wyższa. Analiza spektralna molekularna zwykle zapewnia wyższą dokładność oznaczenia niż atomowa i nie jest gorsza pod względem dokładności od chemicznej, nawet przy wysokich stężeniach.
Szybkość analizy spektralnej znacznie przewyższa szybkość analizy innymi metodami. Tłumaczy się to tym, że analiza spektralna nie wymaga wstępnego rozdzielenia próbki na poszczególne składniki. Ponadto sama analiza przebiega bardzo szybko. Tak więc, kiedy aplikujesz nowoczesne metody Analiza spektralna Dokładna ocena ilościowa wielu składników w złożonej próbce w ciągu zaledwie kilku minut od momentu przybycia próbki do laboratorium do momentu uzyskania wyników analizy. Czas trwania analizy oczywiście wydłuża się, gdy wymagana jest wstępna obróbka próbki w celu poprawy dokładności lub czułości.
Duża szybkość analizy spektralnej jest ściśle związana z jej wysoką wydajnością, co jest bardzo ważne w przypadku analiz masowych. Ze względu na wysoką wydajność i niskie zużycie odczynników i innych materiałów, koszt jednej analizy przy użyciu metod spektralnych jest zwykle niewielki, pomimo znacznych kosztów początkowych zakupu aparatury do analizy spektralnej. Co więcej, z reguły im wyższe koszty początkowe i tym trudniejsze wstępne przygotowanie metodologia analityczna, tym szybsze i tańsze wykonanie analiz masowych.
W istocie analiza spektralna jest metodą instrumentalną. Przy zastosowaniu nowoczesnego sprzętu liczba operacji wymagających interwencji spektroskopisty jest niewielka. Stwierdzono, że te pozostałe operacje można zautomatyzować. Analiza spektralna umożliwia zatem podejście do pełnej automatyzacji określania składu chemicznego substancji.
Analiza spektralna jest uniwersalna. Może być używany do oznaczania prawie dowolnych pierwiastków i związków w szerokiej gamie obiektów analitycznych stałych, ciekłych i gazowych.
Analiza spektralna charakteryzuje się wysoką selektywnością. Oznacza to, że prawie każdą substancję można określić jakościowo i ilościowo w złożonej próbce bez jej rozdzielania.
.jpg)
