Надо Знать

добавить знаний



Спектральный анализ



План:


Введение

Разложение трехгранной стеклянной призмой потока белого света на разноцветный спектр
Спектр видимого излучения флуорисцентнои лампы. С пиками 4 - тербия (Tb), 5 - ртути (Hg), 12 - европию (Eu).

Спектральный анализ - совокупность методов определения (например, химического) объекта, основанный на изучении спектров взаимодействия материи с излучением : спектры электромагнитного излучения, радиации, акустических волн, распределения по массой и энергией элементарных частиц и прочее. Спектральный анализ основан на явлении дисперсии света. Традиционно разграничивают:


1. Принцип действия

Атомы каждого химического элемента имеют определенные резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскоп на спектрах видны линии (темные или светлые) в определенных местах, характерных для каждой вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос в спектрах.

Если узкий пучок белого света направить на боковую грань трехгранной призмы, то, по-разному преломляясь в стекле, лучи, из которых состоит белый свет, дадут на экране радужную полоску, называемую спектром. В спектре все цвета расположены всегда в определенном порядке. Свет распространяется в виде электромагнитных волн.

Каждому цвету соответствует определенная длина электромагнитной волны. Длина волны света уменьшается от красных лучей до фиолетовых примерно от 0,7 до 0,4 мкм. По фиолетовыми лучами в спектре лежат ультрафиолетовые лучи, которые невидимы для глаза, но действуют на фотопластинку. Еще меньшую длину волны имеют рентгеновские лучи. За красными лучами находится область инфракрасных лучей. Они невидимы, но воспринимаются приемниками инфракрасного излучения, например специальными фотопластинки.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимой для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или выпуска) получают переводом вещества в парообразное состояние путем нагревания пробы до 1 000-10 000 ? C. Как источника возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока, при этом пробу помещают в кратере одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.


2. История

Идентификация химических элементов по оптическим спектрам атомов была предложена в 1859 году Г. Кирхгоф и Бунзеном [1]. С помощью спектрального анализа гелий (He) был открыт на Солнце раньше на Земли. Но еще в 1854 году доктор Дэвид Альтер ( англ. David Alter ), Ученый из города Фрипорт, штат Пенсильвания ( США) опубликовал научную работу [2], которая описывала спектральные свойства 12 металлов.


3. Применение

3.1. В астрономии

Важнейшим источником информации о большинстве космических объектов является их излучения. Получить ценные и самые разнообразные сведения о телах позволяет спектральный анализ их излучения. С помощью этого метода можно установить качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие магнитного поля, скорость движения и многое другое.

Для получения спектров применяют спектроскоп и спектрограф. В первом спектр рассматривают, а во втором его фотографируют. Спектрограмма - фотография спектра.

Существуют следующие виды спектров земных источников и небесных тел:

  • Сплошной, или непрерывный спектр в виде радужной полоски дают непрозрачные раскаленные тела (уголь, нить электролампы) и достаточно протяженные густые массы газов.
  • Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пар при сильном нагревании. Каждый газ излучает свет строго определенных длин волн и дает характерный для данного химического элемента линейчатый спектр. Значительные изменения состояния газа или условий его свечения, например нагревание или ионизация, вызывают определенные изменения в спектре этого газа. Составлены таблицы, в которых перечисляются линии каждого газа и указывается яркость каждой линии. Например, в спектре пары натрия (Na) особенно яркими являются две желтые линии.
  • Линейчатый спектр поглощения дают газы и пар, если за ними содержится яркий источник, дающий непрерывный спектр - это непрерывный спектр, перерезан темными линиями именно в тех местах, где должны быть яркие линии, присущие данному газу. Например, две темные линии поглощения пары натрия (Na) содержатся в желтой части спектра.

Изучение спектров позволяет анализировать химический состав газов, излучающих или поглощающих свет. Количество атомов или молекул, которые излучают или поглощают энергию, определяется интенсивностью линий. Чем заметнее линия определенного элемента в спектре излучения или поглощения, тем более таких атомов (молекул) на пути луча света.

Солнце и звезды окружены газовыми атмосферами. Непрерывный спектр их видимой поверхности пересекается темными линиями поглощения, которые возникают, когда лучи проходит через атмосферу звезд. Поэтому их спектры - это спектры поглощения.

Скорости движения небесных светил относительно Земли за лучами зрения ( лучевые скорости) определяют с помощью спектрального анализа на основе эффекта Доплера : если источник света и наблюдатель сближаются, то длина волны определяется расположением спектральных линий, сокращается, а при их взаимном удалении длина волны увеличивается. Эта зависимость представляется формуле:

\ Lambda = \ frac {\ left ({c-v} \ right)} {f_0}

где ν - лучевая скорость движения с учетом знака (минус при сближении);

  • {F_0} - Длина волны неподвижного источника;
  • λ - длина волны при движении источника;
  • с - скорость света в вакууме (~ 300 000 км / с).

Иначе говоря, со сближением наблюдателя и источника света линии спектра сдвигаются к его фиолетового конца, а с удалением - до красного.

При получении спектрограммы светила, над ней или под ней вдруковують спектры сравнения от земного источника излучения. Спектр сравнения считают неподвижным, и в отношении него можно определять смещение линий спектра звезды. Даже скорости небесных тел (десятки и сотни километров в секунду) обусловливают столь малые смещения (сотые или десятые доли мм), которые можно измерить на спектрограмме только под микроскопом. Чтобы выяснить, какой смене длины волны это отвечает, надо знать масштаб спектра, т.е. на сколько изменяется длина волны, если мы продвигаемся вдоль спектра на 1 мм.

По спектру можно найти и температуру светящегося объекта. Когда тело раскаленные докрасна цвет, в его сплошном спектре яркая красная часть. Если его нагревать дальше, участок наибольшей яркости в спектре смешивается в желтую, потом в зеленую часть и так далее до фиолетового. Это явление описывается законом Вина, который показывает зависимость положения максимума в спектре излучения от температуры тела. Зная эту зависимость, можно установить температуру Солнца, звезд, планет с помощью специально созданных приемников инфракрасного излучения.


Примечания

  1. Kirchhoff, GR; Bunsen, R. Ann. Phys. ( 1860): pages 110, 160. (Англ.)
  2. Alter, David. On Certain Physical Properties of Light Produced by the Combustion of Different Metals in an Electric Spark Refracted by a Prism. Am. J. Sci. Arts 18 (1854): pages 55-57. (Англ.)

Литература

  1. Alter, David. On Certain Physical Properties of Light Produced by the Combustion of Different Metals in an Electric Spark Refracted by a Prism. Am. J. Sci. Arts 18 (1854). (Англ.)
  2. Alter, David. On Certain Physical Properties of the Light of the Electric Spark, Within Certain Gases, as Seen Through a Prism. Am. J. Sci. Arts 19 (1855): pages 213-214. (Англ.)
  3. Brace, DB (Ed. and translator). The Laws of Radiation and Absorption: Memoirs by Pr?vost, Stewart, Kirchhoff, and Kirchhoff and Bunsen. New York, NY: American Book Company, 1901, pages 100-125. (Англ.)
  4. Johnson, Allen, ed.; Garraty, John and James, Edward, Eds. Dictionary of American Biography; Supplement Four. New York, NY: Charles Scribner's Sons, 1974, page 230. (Англ.)
  5. Retcofsky, HL Spectrum Analysis Discoverer - www.jce.divched.org/Journal/issues/2003/sep/abs1003_1.html, Spectroscopy Society of Pittsburgh, PA 80 (2003): 1003. (Англ.)

См.. также


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам