Спектральный анализ: Виды спектрального анализа

Спектральный анализ: Виды спектрального анализа

Спектр излучения света

Химический состав вещества – важнейшая характеристика используемых человечеством материалов. Без его точного знания невозможно со сколько-нибудь удовлетворительной точностью спланировать технологические процессы в промышленном производстве. В последнее время требования к определению химического состава вещества еще более ужесточились: многие сферы производственной и научной деятельности требуют материалы определенной «чистоты» – это требования точного, фиксированного состава, а также жесткого ограничения на наличие примесей инородных веществ. Всвязи с этими тенденциями разрабатываются все боле прогрессивные методики определения химического состава веществ. К ним относится и метод спектрального анализа, обеспечивающий точное и быстрое изучение химии материалов.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Спектры и спектральные аппараты. Виды спектров. Спектральный анализ”

Что наш язык земной

Пред дивною природой?

С какой небрежностью и легкою свободой

Она рассыпала повсюду красоту

И разновидное с единством согласила!

В данной теме речь пойдет о спектрах и спектральных аппаратах, рассмотрим основные виды спектров, а также поговорим о спектральном анализе.

Ранее рассматривалась дисперсия света. Дисперсия — это зависимость скорости распространения световых волн в среде от частоты света.

Впервые подробно исследовал дисперсию света Исаак Ньютон. Он доказал, что белый свет — это сложный свет, который состоит из простых, монохроматических лучей, которые при прохождении через призму отклоняются.

Радужную полоску, наблюдавшуюся на экране после прохождения белого света через призму, Исаак Ньютон назвал спектром.

В настоящее время, спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Их делят на три основных и принципиально разных типа: линейчатые, полосатые и сплошные.

Непрерывные спектры испускаются раскаленными телами в твердом или жидком состоянии, а также газами, которые находятся при очень высоком давлении и плазмой. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса.

Следующий тип — это линейчатые спектры. Их имеют все вещества, находящиеся в газообразном или атомарном состоянии. Такие спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, которые разделены широкими темными промежутками.

Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.

Полосатые спектры состоят из ряда цветных полос, которые разделены темными промежутками. С помощью хорошего оборудования можно обнаружить, что каждая полоса в таком спектре состоит из большого числа очень тесно расположенных линий. Полосатый спектр характерен для молекулярных газов, т.е. газов состоящих из слабо связанных друг с другом молекул.

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.

Спектры поглощения твердых и жидких тел обычно имеют вид широких темных полос, которые закрывают часть сплошного спектра источника, а в случае атомарных газов они состоят из отдельных темных линий, видимых на фоне сплошного спектра. Так, например, если свет от электрической лампы пропустить через сосуд, содержащий пары лития или водорода, то на сплошном спектре лампы мы увидим узкие черные линии в соответствующих областях спектра.

Для спектров поглощения открыт закон обратимости спектральных линий Кирхгофа: линии поглощения соответствуют линиям испускания. Иными словами, атомы менее нагретых тел поглощают из сплошного спектра только те частоты, которые в других условиях они испускают. Эта закономерность дает возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.

Примером спектра поглощения может служить спектр поглощения солнечной атмосферы. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий (около 20 000), возникающих при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как именно Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность расположения линий поглощения не случайна и темные линии появляются всегда на строго определенных местах. По этим линиям был определен состав солнечной атмосферы и впервые открыт гелий.

Изучение спектров различных веществ показало, что подобно отпечаткам пальцев или радужной оболочки глаз у людей или узора на хвостах синих китов, линейчатые спектры различных элементов имеют свою неповторимую индивидуальность.

Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом.

Спектральный анализ — это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.

Так, например, основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. Так рубидий дает темно-красные, рубиновые линии, а слово «цезий» означает «небесно-голубой».

Спектральный анализ, проводимый по спектрам испускания, называют эмиссионным, а по спектрам поглощения — абсорбционным спектральным анализом.

Эмиссионный спектральный анализ базируется на двух основных положениях:

1) каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;

2) интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.

К достоинствам спектрального анализа можно отнести:

– очень высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией десять в минус седьмой — десять в минус восьмой степени, т.е. один атом вещества на сто миллионов других атомов!);

– малое время измерения;

– малые количества исследуемого вещества вплоть до детектирования отдельных молекул;

– дистанционность измерений (например, можно проводить исследования состава атмосферы далеких планет).

Именно так, с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд, так как другие методы анализа здесь совершенно невозможны.

Благодаря относительной простоте и достаточной универсальности спектральный анализ является основным методом для контроля состава вещества в машиностроении и металлургии, атомной индустрии. С его помощью определяется химический состав руд и минералов, определяется возраст археологических находок, используется и в криминалистике.

Спектральный анализ в астрофизике дает возможность определять не только химический состав звезд и газопылевых облаков, но и некоторые другие физические характеристики, например температуру, давление, скорость движения небесного тела и индукцию его магнитного поля.

Естественно предположить, что для точных исследований спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, или призма, уже недостаточно. Поэтому требовалось создать приборы, способные давать четкий спектр и не допускающие перекрывания его отдельных участков. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Если спектральный аппарат предназначен для визуального наблюдения спектров, то его называют спектроскопом, а аппарат с фотографической регистрацией спектров — спектрограф. Есть спектральные аппараты и с фотоэлектрическими, и тепловыми приемниками. Их называют спектрометрами или спектрофотометрами.

Однако основной частью любого спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.

Для того чтобы понять как работают такие приборы, рассмотрим схему устройства призменного спектрографа.

В начале исследуемое излучение подается в часть прибора, называемую коллиматором. Он представляет собой трубу, на одном конце которой находится ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза, называемая коллиматорным объективом. Щель находится в фокусе коллиматорного объектива, поэтому пучок расходящихся лучей, идущих от щели, после преломления в линзе становится параллельным и попадает на призму. Преломляясь в призме, этот параллельный пучок света разлагается на пучки света с разной длиной волны, которые в дальнейшем собираются второй линзой, называемой камерным объективом, в ее фокальной плоскости. Таким образом, вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждому узкому спектральному интервалу соответствует свое изображение, а совокупность этих изображений и представляет собой спектр.

Осталось рассмотреть еще один вопрос, который касается распределения энергии в спектре. Как известно, ни один из источников света не дает полностью монохроматический свет, т.е. свет, имеющий строго определенную длину волны. В этом убеждают и опыты по дисперсии, интерференции и дифракции света.

Энергия, которую несет в себе свет, определенным образом распределена по всем длинам волн, которые входят в состав светового пучка. Как известно, интенсивность электромагнитного излучения, а, следовательно, и света, определяется энергией, приходящейся на все частоты или длины волн. Так вот, для характеристики распределения излучения по частотам, требовалось ввести новую физическую величину — интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью потока излучения и обозначают ее как . Тогда произведение спектральной плотности потока излучения на небольшой спектральный интервал будет равно интенсивности излучения, приходящейся на этот небольшой спектральный интервал . Если же просуммировать подобные выражения по всем частотам спектра, то получим плотность или интенсивность всего потока излучения.

Основные выводы:

– Существует два вида спектра — это спектр испускания (т.е. спектр, получаемый при разложении света, излученного самосветящимися телами) и спектр поглощения, который получают, пропуская свет от источника со сплошным спектром, через вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.

– Законом обратимости спектральных линий Кирхгофа, согласно которому атомы менее нагретого вещества могут поглощать только те частоты, которые они могут испускать в других условиях.

– Разделены спектры испускания на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.

– Сплошные или непрерывные спектры, которые излучаются раскаленными твердыми и жидкими веществами, а также газами под большим давлением.

– Линейчатые спектры, которые получают от светящихся атомарных газов.

– Полосатые спектры, которые излучаются молекулярным газом.

– Существует относительно простой и высокоточный метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам, который называется спектральным анализом.

– Познакомились с устройством и принципом действия простейшего спектрального аппарата — спектрографа.

– Введена в рассмотрение новая физическая величина — спектральную плотность потока излучения, которая характеризует интенсивность электромагнитного излучения, приходящуюся на единичный интервал частот.