Физические методы исследования реферат

Обновлено: 07.07.2024

Идентификация веществ, определение их химического состава и строения является важной задачей химии, т.к. состав и структура соединения определяет его реакционную способность и свойства.
Современные физические методы исследования химических веществ обширны и имеют в своей основе различные принципы качественного обнаружения и количественного определения элементного состава.
При выборе метода следует иметь представление о его сути и учитывать основные критерии применимости:
- способность обеспечить измерение аналитического сигнала,
- чувствительность, предел обнаружения,
- рабочий диапазон прибора,
- информативность метода,
- влияние мешающих определению факторов и компонентов,
- возможность автоматизировать метод исследования.
Выяснение элементного состава вещества является первоочередной задачей химика. Это помогает предположить или установить возможную структуру химического соединения, либо контролировать качество и чистоту уже известного продукта. Точная картина состава вещества необходима и для его идентификации, и для контроля цепи химических превращений и т.д.
Современные инструментальные методы позволяют не просто качественно обнаружить элементы в исследуемой пробе, но провести точный количественный анализ.
Целью данной работы является обзор физических методов исследования, применяемых в химическом анализе для установления элементного состава соединений.
Задачи работы:
- изучить литературные источники по выбранной теме,
- привести классификацию методов определения элементного состава веществ,
- рассмотреть сущность основных физических методов определения элементного состава веществ, их принципиальное аппаратурное оформление и диапазоны применимости.
1. Классификация методов определения
элементного состава веществ

Все многообразие методов элементного анализа веществ классифицируется на 4 основные группы: химические, физико-химические, физические и комбинированные [2].
В основе химических методов определения элементного состава лежит принцип химического взаимодействия, превращения анализируемого вещества. Данная группа делится на следующие подгруппы:
- гравиметрия,
- титриметрия,
- фотометрические методы (турбидиметрические, нефелометрические).
Физико-химические методы основаны на изменении химического состояния определяемого элемента под действием физических факторов (изменение температуры, воздействие светового излучения или электричества и др.) или же на возникновении при этом некоторого физического эффекта (термического, электрического, светового и т.д.). Сюда относятся:
- электрохимические методы (полярография, кулонометрия, потенциометрия, кондуктометрия, электрогравиметрия),
- люминесцентные методы (фосфоресцентные и флуоресцентные),
- хроматография.
Физические методы базируются на свойствах атомов определяемых элементов давать ответные реакции от воздействия на их ядра или электронные оболочки. В этой группе различают подгруппы:
- спектрометрические методы; среди них: оптические спектральные (атомно-эмиссионный анализ, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный) и рентгеноспектральные (флуоресцентные, абсорбционные), масс- спектрометрия. В некоторых работах масс-спектрометрия выделяется в отдельную груббу комбинированных физических методов анализа [7].
- ядерно-физические; среди них: радиометрические активационные (нейтронно-активационный метод, активационный с активацией заряженными частицами, гамма-активационный) и абсорбционно-дисперсионные (нейтронно-абсорбционный, метод отраженных бета-частиц, гамма-абсорбцион-ный.
- комбинированные физические (масс-спектрометрия).
Комбинированные методы сочетают принципы химических, физико-химических и физических групп попарно в любом сочетании. Сюда относят пробирный анализ и метод изотопного разбавления.
В настоящее время лидирующее место по использованию в аналитических исследованиях состава веществ имеют инструментальные: физико-химические (особенно высокоточные кулонометрия и электрогравиметрия) и, конечно же, физические методы [6].
2. Спектрометрические методы исследования элементного состава

Как было показано выше, физические методы определения состава вещества включают спектрометрические и ядерно-физические подгруппы методов.
Строение электронной оболочки атома каждого элемента определяет его индивидуальный атомный спектр.
Это может быть спектр поглощения (абсорбционный спектр), когда поступающее на атом излучение поглощается им, а энергия излучения достаточна для перехода электрона с занимаемого на более высокий энергетический уровень и равна разности энергий этих двух уровней.
Или же можно получить спектр испускания (эмиссионный спектр), если атом переходит из возбужденного состояния в стабильное с переходом электрона с занимаемого на более низкий энергетический уровень. При этом испускается квант излучения с энергией, равной разности энергий этих двух уровней.
Наблюдаемые в спектрах частоты соответствуют разностям энергий (Е) двух состояний электрона:
ν1, 2 = (E2 − E1)/h,
где h – постоянная Планка.
Содержание определяемого элемента в образце и в том, и в другом случае определяется по интенсивности линии (или нескольких линий) атомного спектра [6].
Спектрометрические методы в свою очередь могут быть оптическими спектральными, либо рентгеноспектральными.
Если электронные переходы обоих видов (и с повышением, и с понижением энергетического уровня) протекают во внешних электронных оболочках атомов, линии получаемых атомных спектров лежат в оптическом диапазоне. К оптическим методам относят атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, а также атомно-флуоресцентную спектроскопию.
Если же электронные переходы идут во внутренних электронных оболочках, то линии атомного спектра будут проявляться в рентгеновском диапазоне (рис. 1).

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн [9].
2.1. Методы оптической спектрометрии

Рассмотрев в предыдущем разделе общие представления о сущности оптической спектрометрии, проанализируем далее методики атомно-эмиссионного и атомно-абсорбционного анализа.

2.1.1. Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС)

Метод АЭС основывается на измерении спектра испускания парами химических элементов анализируемой пробы в области длин волн λ = 120 – 1000 нм. Интенсивность излучения с определенной длиной волны служит мерой содержания, концентрации того или иного элемента в пробе [3].
Чтобы получить спектр испускания атомов вещества в УФ- и видимой области необходимо облучение такой энергии, чтобы его хватило на:
1) разрыв межмолекулярных химических связей в твердом или конденсированном веществе, с образованием отдельных молекул;
2) диссоциацию молекулы на отдельные атомы;
3) переход атомов из основного состояния в возбужденное, причем изменение энергетического состояния должно затронуть только внешние валентные электроны.
Испарение и атомизацию вещества с последующим возбуждением атомов проводят при температуре выше 1000 0С в устройствах-атомизаторах, могущих иметь различные типы источников возбуждения (табл. 1).

Таблица 1 – Типы источников возбуждения и возможности атомизатора [9]

Тип
источника
возбуждения Т, 0С Агрегатное состояние пробы Сн, % масс.
10-х σг, % Определяемые элементы
1 2 3 4 5 6
Пламя (топливо + окислитель) 1500–3000 Раствор -7 – -2 1–5 Щелочные и щелочноземельные металлы
Электрическая дуга 3000–7000 Твердое -4 – -2 10–20 Несколько
десятков
Электрическая искра 10000–12000 Твердое -3 – -1 5–10 Несколько
десятков
Индуктивно связанная плазма ИСП 6000–10000 Раствор,
аэрозоль -8 – -2 0,5–5 70, в т.ч. P, S, As, B, Sn
Тлеющий разряд – бомбардировка ионами при пониженном давлении
Твердое -4 – -2
С, S, Р, металлы
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6
инертного газа (полый катод)

Лазер, испарение с поверхности (лазерная абляция)
Твердое

Несколько
десятков
Примечание. Сн, % масс. 10-х – предел определения элемента, σг, % - относительное стандартное отклонение.
Жидкие пробы впрыскиваются пневматическим или ультразвуковым распылителем образуя аэрозоль, твердые – либо переводятся в растворенное состояние, либо помещаются в виде порошка в специальное углубление в нижнем электроде атомизатора (кроме пламенного и ИСП).
Число сигналов в спектре определяется числом валентных электронов атома, строением электронных оболочек (s, p, d, f), поэтому для Na и К, например, составляет несколько единиц, а для Fe и W – до нескольких тысяч.
Излучение из атомизатора через оптическую систему из фокусирующей линзы и щели попадает в анализатор (монохроматор или спектральный прибор), в котором излучение разделяется по частотам, выделяясь в спектральные линии определяемых элементов.
Монохроматические линии после анализатора детектируются приемником излучения и регистрируются.
Рис

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн [9].
2.1. Методы оптической спектрометрии

2.1.1. Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС)

Таблица 1 – Типы источников возбуждения и возможности атомизатора [9]

Лазер, испарение с поверхности (лазерная абляция)
Твердое

1 – емкости с компонентами горючей смеси, 2 – регуляторы давления, 3 – распылительная камера атомизатора, 4 – горелка, 5 – исследуемый раствор, 6 – устройство для осушения распылительной камеры, 7 – фокусирующая линза, 8 – входная щель, 9 – призматический монохроматор, 10 – выходная щель, 11 – детектор, 12 – регистрирующее устройство

Рис. 2. Принципиальная схема пламенного фотометра [3].

Рис. 3. Типичный вид градуировочной зависимости для определения состава вещества методом АЭС, полученной для спектрографа [4].

При использовании фотоэлектрического приемника зависимость I = f(С) имеет линейный вид в широком диапазоне концентраций.
Концентрацию элемента Сх в пробе находится далее из соотношения [6]:

где Iх, Iст – интенсивность излучения элемента в пробе и в стандартном образце соответственно,
b – коэффициент самопоглощения света невозбужденными атомами.

2.1.2. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)

1 – линзы, 2 – эшеелле-решетка, 3 – поворотные зеркала, 4 – входная щель,
5 – призма, 6 – внеосевые параболоиды

Рис. 4. Схема атомно-абсорбционного спектрометра [8].

Исследование как процесс научного изучения чего-либо, основные принципы и правила его осуществления, анализ полученных результатов. Особенности проведения в физической сфере, используемые методы и приемы: наблюдение, накопление фактов, гипотеза.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	24.05.2015
Размер файла	15,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Методы исследования в физике

Введение

Как появились научные знания и для чего они нам нужны в окружающем мире? Этот вопрос занимает человечество уже много тысяч лет. За это время человечество накопило огромные научные знания. Ученые доказали, что Земля вращается вокруг оси, магнит имеет силу притяжения, солнце в солнечный день дает тень и много других фактов. Много тысяч лет назад люди не знали, что такое исследование и познавали окружающий мир методом проб и ошибок. Со временем люди обобщили накопленный ими опыт и произошли первые открытия. В жизни человека происходили разные явления в окружающим его мире, эти явления он изучал и совершал открытия. С раннего возраста мы сами становимся исследователями, может быть не совсем опытными, но исследователями. Исследование - это то без чего человечество не смогло бы продвинуться дальше, об это я вам и расскажу в своем реферате!

1. Что такое исследование

2. Какие методы исследование в физике

В физике есть четыре метода исследования. Первый из них - это наблюдение явлений, с помощью которого можно получить достоверные данные о предмете изучения и использовать их в дальнейшем для выведения научных теорий и создания практических рекомендаций.

Наблюдение - это то с чем человек сталкивается каждый день. Вокруг нас мир, который мы в первую очередь изучаем при помощи наблюдения. Наблюдения - это такой метод исследования, без которого нельзя накопить факты и вывести гипотезу. Например: движется автобус, мы за ним наблюдаем и видим, что у автобуса при сильной скорости колеса крутятся назад. Далее после неоднократных наблюдений мы уже накапливаем факты и на их сопоставление делаем вывод. Наблюдение-это такой процесс, без которого не один ученый не смог бы накопить факты и выдвинуть гипотезу!

Второй из методов исследования - это накопление фактов. Факт - это явление окружающего нас мира, ставшее достоянием нашего знания, это фиксация какого-либо явления, свойства и отношения. Накопление фактов - это когда они подвергаются отбору, классификации, обобщению и объяснению. Человек в результате повседневных наблюдений установил следующий факт, что некоторые предметы плавают на воде, другие тонут. Из собранных фактов человек построил деревянный плот и научился плавать.

Задача научного познания заключается в том, чтобы вскрыть причину возникновения данного факта, выяснить существенные его свойства и установить закономерную связь между фактами. Для прогресса научного познания особо важное значение имеет открытие новых фактов. Например, мы наблюдали, что при большой скорости, у автобуса колеса крутятся назад, в результате многоразовых наблюдений мы накопили факты, для того чтобы выдвинуть гипотезу.

Рождение гипотезы - это следующий шаг на пути исследования окружающего нас мира. Гипотеза (в переводе с греческого - предположение) - научное допущение или предположение, истинное значение которого неопределенно. Например, на основании накопленных фактов, мы можем выдвинуть гипотезу, что в любой точке земного шара при большой скорости колеса автобуса будут вращаться назад.

Последним шагом в исследовании является экспериментальная проверка. Эксперимент - это практическое доказательство гипотезы и подтверждение накопленных фактов в результате проведенных наблюдений. Цель экспериментальной проверки завершить исследования подтвердив правильность гипотезы или наоборот установить ошибочные выводы гипотезы. Например, для проверки гипотезы о вращении колеса автобуса, мы отправимся высоко в горы, в жаркую пустыню и в тропические леса, где на практике сможем наблюдать при большой скорости вращение колеса обратно. Значит, проведенный эксперимент доказывает правильность выдвинутой нами гипотезы.

3. Для чего проводятся исследования

научный физика гипотеза

Во все времена накопление знаний являлось чрезвычайно важным для человечества, ибо человек, в отличие от животных, выживает за счёт знаний о природе и способностей изменять окружающий мир под свои потребности. Развитие человека стало возможным благодаря проводимым на протяжении жизни исследованиям и способности делать открытия в результате накопленных фактов. От лучины до электрической лампочки, от водяной мельницы до атомных реакторов человечество прошло методом проб и ошибок, наблюдая явления, накапливая факты, выдвигая гипотезы, опираясь на экспериментальные проверки.

Заключение

Важность исследований для развития человечества в настоящее время не вызывает ни у кого сомнений. А буквально 500-600 лет назад человек занимающийся опытами или экспериментами мог быть обвинен в колдовстве и сожжен на костре. Знания о явлениях природы и окружающем нас мире, о которых в те далекие времена могли думать и правильно понимать единицы, в наше время доступно каждому ученику из учебника физики. Само развитие наук, появление учебников по предметам обязано исследованиям, которые служат источником новых знаний. Исследования - это процесс непрерывного познания окружающего нас мира, благодаря которому мы не останавливаемся в развитии.

Подобные документы

Интерес физиков к биологии и тяга к физическим методам исследования в биологических дисциплинах. Крупнейшие события в истории физической химии. Техническое перевооружение физиологии. Термодинамика систем вблизи равновесия (линейная термодинамика).

контрольная работа [17,8 K], добавлен 07.03.2011

Понятие о физической величине как одно из общих в физике и метрологии. Единицы измерения физических величин. Нижний и верхний пределы измерений. Возможности и методы измерения физических величин. Реактивный, тензорезистивный и терморезистивный методы.

контрольная работа [301,1 K], добавлен 18.11.2013

Сущность физики как науки о формах движения материи и их взаимных превращениях. Теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания, ее методы исследований. Основные величины, используемые в механике, молекулярной физике, термодинамике и оптике.

лекция [339,3 K], добавлен 28.06.2013

Психолого-педагогические основы проверки знаний, умений и навыков по физике. Основные функции и формы проверки. Методика тестового контроля знаний, виды тестов по физике. Систематизация знаний по физике при подготовке к централизованному тестированию.

дипломная работа [3,6 M], добавлен 13.10.2009

Обработка и анализ результатов экспериментального исследования теплоотдачи конвекцией от вертикального цилиндра к закрученному потоку воздуха в циклонной камере. Оценка степени достоверности результатов обработки и погрешности полученных измерений.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Реферат по теме

Определение понятия УФ спектроскопия …………………………………….3

Устройство спектрометров……………………….………………. …. ………10

Применение УФ спектроскопии….………. ………………………………..…14

Список использованных источников…….………………………………….16

Определение понятия УФ спектроскопия

Электронные спектры поглощения наблюдаются в результате поглощения ультрафиолетового и видимого излучения; при этом происходит переход (возбуждение) валентного электрона с занимаемого им уровня на уровень с более высокой энергией. По типу поглощаемого излучения электронную спектроскопию часто называют спектроскопией в ультрафиолетовой и видимой области, или УФ-спектроскопией.

При воздействии электромагнитного излучения на вещество происходит поглощение этого излучения. Поглощение в ультрафиолетовой и видимой областях спектра связано с возбуждением электронов. В этом случае говорят об электронных спектрах поглощения.

Спектр поглощения - это распределение по длинам волн (или частотам) интенсивности электромагнитного излучения при прохождении его через исследуемое вещество. На практике спектр поглощения получается следующим образом. Исследуемое вещество помещают между источником и приемником излучения. Источник с помощью специальных устройств посылает излучение с определенной или меняющейся длиной волны. Приемник измеряет интенсивность излучения, прошедшего через образец, и регистрирует его на ленте самописца. УФ-излучение является достаточно мощным (вспомните его воздействие на пигменты кожи при загаре или как выцветают на ярком солнечном свету многие красители). Под действием УФ света происходит возбуждение молекулы, то есть переход электронов на более высокий энергетический уровень и перераспределение электронной плотности в молекуле.

Необходимые для исследования количества вещества невелики — около 0,1 мг. В связи с этим УФ-спектроскопия является одним из наиболее распространенных физико-химических методов исследования органических и неорганических соединений.

Ультрафиолетовая (УФ-) спектроскопия позволяет исследовать взаимодействие ультрафиолетового излучения с электронным облаком молекул. Для аналитических целей используется диапазон ультрафиолетового излучения в пределах 10-8 – 4×10-7 м.

Так как энергия квантов ультрафиолетового излучения близка к энергии электронов, то при облучении молекул происходит возбуждение электронов и они переходят на разрыхляющие (нестабильные) молекулярные орбитали с более высокой энергией. На диаграмме (рис. 3.4) показаны переходы s-, n- и p-электронов на разрыхляющие орбитали (где n-переходы неподеленных пар гетероатомов).

Рис. 3.4. Переходы s-, n- и p-электронов на разрыхляющие орбитали

Через s®s* обозначается переход s-электронов со связующей на разрыхляющую s*-орбиталъ. s-Электроны – это гибридизованные электроны, участвующие в образовании простых С–С- и С–Н-связей. Они близко расположены к ядру, прочно с ним связаны, и для их перехода на разрыхляющую s-орбиталь необходима большая энергия. Такой энергией обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 160 нм (труднодоступная область ультрафиолетового излучения – вакуумный ультрафиолет). Так как в образовании связей в молекулах алканов и нафтенов участвуют только s-электроны, то ультрафиолетовые спектры для этих углеводородов не характерны.

Через p®p* обозначается переход p-электронов двойных связей непредельных и ароматических углеводородов на разрыхляющие p*-орбитали; p-электроны слабее, чем s-электроны, связаны с ядром, и для их возбуждения и перехода на разрыхляющие орбитали требуется меньшая энергия. Так, олефины поглощают ультрафиолетовое излучение в области 170 – 180 нм, а диены и ароматические углеводороды - в области еще более длинных волн (> 200 нм). Таким образом, диеновые и ароматические углеводороды дают характерные ультрафиолетовые спектры в области 200 – 400 нм.

В случае гетероатомных соединений нефти (кислородные, сернистые, азотистые соединения) алифатического ряда УФ-спектры возникают в результате n®s* перехода неподеленных пар электронов гетероатомов. Полосы поглощения для гетероатомных соединений нефти находятся в коротковолновой области.

Если гетероатом находится рядом с двойной связью или ароматическим ядром, то поглощение происходит в области 200 – 300 нм (переход n®p*).

Энергия квантов ультрафиолетового излучения в 20 раз больше энергии квантов инфракрасного излучения и приближается к величине энергии, необходимой для разрыва связей в молекулах органических соединений. Поэтому ультрафиолетовое излучение сильно возбуждает молекулы органических соединений и ультрафиолетовые спектры представляют собой довольно грубую картину в отличие от тонкой структуры инфракрасных спектров.

В УФ-области поглощают все органические вещества. Длины волн менее 190 нм (дальняя или вакуумная область УФ-спектра) малопригодны для работы, так как в этой области поглощают компоненты воздуха — кислород и азот. Приборы для исследований в интервале длин волн 120-190 нм с вакуумными камерами существуют, однако они сложны и редко используются в обычной лабораторной практике. Для волн длиной более 200 нм воздух прозрачен, что делает ближнюю ультрафиолетовую и видимую области спектра (190-800 нм) удобными для измерений. В том же интервале прозрачен кварц, который в УФ-спектроскопии применяется как оптический материал для изготовления призм и кювет. Приборы для получения спектров поглощения в этой области просты и доступны. Необходимые для исследования массы вещества невелики — около 0,1 мг. В связи с этим УФ-спекгроскопия в настоящее время является одним из наиболее распространенных физико-химических методов исследования органических соединений.

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей, образующихся при сопряжении двух двойных связей.

Группировки, вызывающие избирательное поглощение электромагнитного колебания в УФ-области, называются хромофорами. Основными хромофорами, дающими максимум поглощения в области 200-800 нм, являются системы сопряженных двойных связей. Орбитали, образуемые двумя сопряженными двойными связями, представлены на рис. 2.2. Видно, что при взаимодействии двух л-орбиталей, соответствующих изолированным двойным связям, образуются две новые орбитали: связывающая (я+л) и разрыхляющая (л-л). Возбужденному состоянию соответствуют две аналогичные орбитали. Следовательно, для возбуждения электронов сопряженной системы, т.е. для осуществления перехода с высшей занятой (л-л) на низшую свободную (я*+ я*) орбиталь, требуется меньше энергии, чем для возбуждения электронов изолированных двойных связей (п-*п*). Ясно, что сопряженные двойные связи будут поглощать кванты света с большей длиной волны, чем изолированные двойные связи.

С ростом числа таких сопряженных связей энергия, необходимая для возбуждения электронов, уменьшается, и поглощение света будет наблюдаться при больших длинах волн. В ароматических системах переход электрона в возбужденное состояние осуществляется также при меньшей затрате энергии, чем в случае наличия изолированной двойной связи. Таким образом, основными хромофорами в УФ-спектроскопии являются сопряженные С=С-связи, карбонильная группа С=0, системы С=С-С=0 и ароматическое ядро.

УФ-спектр органического вещества характеристичен, так как поглощение определяется только собственно хромофором и его ближайшим окружением, т.е. один и тот же хромофор проявляется практически одинаково как в простых, так и в самых сложных молекулах. В зависимости от непосредственного окружения одной и той же хромофорной группировки положение максимума поглощения в УФ-спектрах различных соединений может несколько изменяться. Сдвиг максимума в сторону более длинных волн принято называть батохромным, а сдвиг в сторону более коротких волн — гипсохромным. Интенсивность поглощения в спектре связана с вероятностью данного типа электронного перехода. Однако далеко не все переходы, формально кажущиеся возможными, осуществляются в действительности. Есть правила отбора, определяющие разрешенные и запрещенные переходы. Эти правила учитывают в основном симметрию молекулы, а также электронную симметрию основного и возбужденного состояний. Запрещены переходы, при которых происходит изменение спина электрона. Интенсивность поглощения, соответствующего разрешенным переходам, обычно высока, молярный коэффициент поглощения достигает тысяч, а иногда и сотен тысяч единиц, тогда как для запрещенных переходов значение е составляет десятки, реже — сотни единиц.

Устройство спектрометров

Спектрометры для получения УФ-спектров имеют следующее устройство. В качестве источника УФ-излучения обычно применяется водородная лампа (электрическая дуга в атмосфере водорода при низком давлении), которая дает практически непрерывный спектр излучения в области 190-360 нм. Для работы в видимой области служит лампа накаливания с вольфрамовой спиралью. Излучение от источника попадает в монохроматор, состоящий из зеркала, кварцевой призмы и щели. Отражаясь от зеркала, свет разлагается призмой и затем с помощью щели из спектра выделяется узкая область. При вращении призмы спектр перемещается по отношению к щели, что позволяет получать лучи света со строго определенной длиной волны, обычно с точностью ±0,5 нм. Монохроматическое излучение пропускается через кварцевую кювету, содержащую раствор исследуемого вещества в прозрачном для УФ-области растворителе. Толщина кювет 1-10 см, наиболее распространенные кюветы имеют сечение 1x1 см, и для их заполнения требуется около 3 мл раствора. Интенсивность прошедшего через кювету света измеряется с помощью фотоэлемента, величина тока которого пропорциональна интенсивности падающего света. Ток усиливается и регистрируется потенциометром. Сравнивается интенсивность светового луча, прошедшего через исследуемый раствор, и луча, пропущенного через аналогичную кювету с чистым растворителем. Получаемая разность соответствует поглощению растворенного исследуемого вещества. В современных регистрирующих приборах световой поток делится на два одинаковых пучка, один из которых проходит через исследуемый раствор, а другой — через растворитель, причем как сравнение интенсивностей прошедших через кюветы световых потоков, так и непрерывное изменение длин волн производится автоматически. В том и другом случае получают УФ-спектр вещества, представляющий собой зависимость оптической плотности раствора D (или е) от длины волны поглощаемого света. В точках максимума мольный коэффициент поглощения вычисляют по уравнению:

Рис. 2.3. УФ-спектр никлопентадиена

Обычно УФ-спектр характеризуют длиной волны, при которой наблюдается максимум поглощения, и мольным коэффициентом поглощения в этом максимуме. Например, спектр циклопентадиена (см. рис. 2.3) достаточно точно может быть передан записью: ХмакС(в гексане) = 240 нм (е = 3400 л/моль-см). УФ-спектр вещества может иметь несколько максимумов поглощения, каждый из которых соответствует различным типам электронных переходов. В этом случае при цифровой записи спектра перечисляются длины волн максимумов поглощения и в скобках приводятся значения е, соответствующие данному максимуму. Если спектр имеет относительно сложный контур (например, тонкая структура какого-либо из максимумов), целесообразно приводить непосредственно рисунок спектра, так как часто его специфические особенности характеристичны и позволяют делать определенные выводы.

Мольный коэффициент экстинкции для каждого поглощающего в УФ-области вещества при данной длине волны в одном растворителе имеет строго постоянное значение, определяющее оптическую плотность раствора при заданной концентрации. Точность измерения оптической плотности весьма высока — погрешность измерений составляет, в зависимости от конструкции прибора, ±0,2* 1% от определяемой величины. Следовательно, измеряя оптическую плотность раствора, при известной ? можно с высокой точностью определять концентрацию вещества. Измерения не обязательно проводить при длине волны, соответствующей максимуму поглощения. Таким образом, УФ-спектроскопия позволяет с достаточно высокой степенью точности осуществлять количественный анализ растворов и в том числе наблюдать изменение концентрации вещества во времени. Последнее находит широкое применение при исследовании кинетики химических реакций.

В качестве растворителей в УФ-спектроскопии используются алканы (гексан, гептан), этанол, вода, реже — диоксан. Концентрации исследуемых растворов (обычно 10 -10"6 моль/л) подбираются так, чтобы их оптическая плотность находилась в пределах 0,3-0,7. Это обеспечивает максимальную точность измерений. Для получения точных значений столь малых концентраций используется метод последовательных разведений, при использовании которого взвешивают раствор и растворитель. В данном случае предполагается совершение минимального количества ошибок, чем при разведении по объему.

Необходима особо тщательная очистка применяемых растворителей, так как примесь, например, ароматических соединений в количестве КГ5 моль/л делает алканы непригодными для работы. Методы очистки растворителей хорошо отработаны. Наиболее просто (перегонкой) очищается вода — самый доступный растворитель. Замена растворителя в отдельных случаях может вызвать некоторые изменения как в положении полос (на 2-10 нм), так и в их интенсивности (на 10-20%). Как правило, такая замена влияет на спектры полярных веществ и практически не сказывается на УФ-спектрах неполярных соединений. Наиболее сильные изменения в спектрах обусловлены химическим взаимодействием вещества с растворителем (в частности, образованием водородной связи), а также изменением степени диссоциации или соотношения таутомерных форм вещества. Во всех таких случаях следует проверить, выполняется ли для данного раствора закон Бугера- Ламберта-Бера.

Таким образом, УФ-спектроскопия позволяет определить в исследуемых соединениях группировки хромофоры и дает возможность проведения количественного анализа веществ, содержащих такие группировки. Этот метод находит широкое применение не только в лабораторной практике, но и в химической и пищевой промышленности, например для определения стирола в его смесях с ди- винилбензолом, определения каротиноидов, бензопирена и т.д.

Применение УФ спектроскопии

В настоящее время для структурного анализа органических соединений электронная спектроскопия имеет ограниченное применение. Гораздо более важная область использование УФ-спектроскопии – это количественный анализ. Использование данного метода эффективно как в случае изучения кинетики реакции, так и при определении примесей в образце органического вещества. Соединения, поглощающие в УФ-области с большой интенсивностью, часто могут быть определены даже при низкой концентрации, если они присутствуют в качестве примесей в образцах веществ, имеющих слабое поглощение в области max примеси. Классическим примером является определение бензола, присутствующего в низкой концентрации в качестве примеси в этиловом спирте.

Чтобы провести количественное определение вещества спектрофотометрическим методом, необходимо на основании снятого спектра измерить интенсивность поглощения света этим веществом при выбранной длине волны. Однако это возможно лишь в тех случаях, когда установлено, что в интервале возможных концентраций поглощение подчиняется основному закону светопоглощения. Теоретически концентрацию можно определить при любой длине волны. В то же время следует подчеркнуть, что минимальная ошибка определения получается при тех длинах волн, которые отвечают следующим требованиям:

1) выбранная полоса должна быть по возможности свободна от наложения полос поглощения других компонентов анализируемой системы;

2) выбранная полоса должна обладать достаточно высоким коэффициентом поглощения для индивидуального соединения.

Такие полосы называются аналитическими. При анализе используют максимум или минимум полосы поглощения и не следует производить измерения на участках крутого спада или подъема кривой.

Как структурно-аналитический метод УФ-спектроскопия значительно менее информативна по сравнению с другими и носит в основном эмпирический характер, поскольку зависимость между характером поглощения и структурой молекулы не имеет строгого физико-математического обоснования, что, однако, не мешает широкому его использованию.

Металлы (от лат. metallum – шахта, рудник, копь) – наиболее широко используемый класс конструкционных материалов, применение которых наряду с неметаллами и композитами позволяет решать почти любые технологические задачи. К металлам принято относить элементы, обладающие характерными металлическими свойствами (высокой тепло- и электропроводностью, повышенной пластичностью и т. д.)

Актуальность темы реферата заключается в том, что важные данные о кинетике фазовых превращений во многих случаях могут быть получены проще и быстрее косвенным путем – в результате измерения той или иной физической характеристики.

Цель работы – более полное изучение физических методов исследования металлов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть общие сведения о металлах, физические методы исследования металлов – термический анализ, калориметрический анализ, дилатометрию, методы определения плотности, а также измерение удельного электрического сопротивления и другие моменты.

Фрагмент работы для ознакомления

1 Общие сведения о металлах

Число элементов, проявляющих свойства металлов, гораздо больше по сравнению с числом элементов, характеризующихся неметаллическими свойствами. Металлы расположены в I и II группах Периодической системы Д. И. Менделеева, а также образуют побочные подгруппы III–VIII групп. Ряд элементов проявляет амфотерные свойства (амфотерность – двойственность, способность некоторых соединений в зависимости от условий демонстрировать как кислотные, так и основные свойства).

К самым активным металлам относятся элементы, обладающие:

2.1 Термический анализ

Простой термический анализ заключается в записи температуры образца во время равномерного нагрева или охлаждения его.

2.3 Дилатометрия

Дилатометрией называют методы исследований теплового расширения веществ и изменений их объема при фазовых превращениях. Приборы, предназначенные для этой цели, называют дилатометрами.

При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы выполнены все задачи для достижения поставленной цели: рассмотрены общие сведения о металлах, физические методы исследования металлов – термический анализ, калориметрический анализ, дилатометрия, методы определения плотности, а также измерение удельного электрического сопротивления и другие моменты.

Список литературы [ всего 5]

Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.

* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.

Физические методы изучения астрономических объектов

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Я давно интересуюсь астрономией и успешно принимаю участие в олимпиадах по астрономии на разных уровнях, и меня давно интересовал вопрос: как учёные получают данные об объектах нашей Вселенной.

Актуальность проблемы:

Изучение физических методов изучения астрономических объектов;

Экспериментальная проверка теории атома водорода Бора.

Постановка проблемы: чтобы разобраться в данной проблеме, ответим на 2 вопроса:

Какие методы существуют?

На чём основаны данные методы?

Цель работы: с помощью школьного курса физики и дополнительного

оборудования, а также необходимой информации из Интернета, ответим на

Изучить методы и их современное применение;

Применить теоретические знания на практике;

Проверить соответствие теоретических выводов и результатов наблюдений.

Личный вклад: обобщение знаний по данной проблеме, что может быть

использовано в образовательных целях.

Прямые наблюдения

Наблюдения невооружённым глазом

Люди с древности наблюдали небо и заметили, что одни объекты не меняют свое положения на небе (относительно друг друга) – их назвали звёздами, другие двигаются по небу – их назвали планетами, третьи имеют хвосты – их назвали кометами. Одними наблюдениями невооружённым глазом древние учёные открыли 5 планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, также 48 созвездий, например, Малая Медведица и Орион. Значительно позднее была создана карта звёздного неба. Большой вклад внесли учёные Древнего Мира, в частности, Птолемей и Гиппарх.

Наблюдения с помощью специальных приборов

Новая эра в наблюдениях наступила, когда Галилей изобрёл телескоп в 1609 году (рис 1, Приложения)

Я решил провести наблюдения в свой телескоп. В нём я увидел лунные моря (низменности), горы и кратеры, в частности Тихо, Кеплер, Коперник, Платон, Аристарх.

Астрономы проводят наблюдения в обсерваториях. Пулковская обсерватория (рис.2, приложения) – первая на территории России. Обсерватории обычно специализируются на проведении определенных видов астрономических исследований. В связи с этим они оснащены различными типами телескопов и других приборов, которые предназначены, например, для определения точного положения звезд на небе, для изучения Солнца – Крымская обсерватория (рис.3) или решения других научных задач (рис.4).

В настоящее время используются и космические телескопы. Их преимущество состоит в том, что им не мешает атмосфера, которая поглощает часть лучей и рассеивает оставшуюся часть. Самым известные из них это Хаббл и Кеплер.

Телескоп “Хаббл” Телескоп “Кеплер”

Для получения больших данных о Вселенной используются телескопы, которые работают во всех диапазонах электромагнитного излучения: от радио- до гамма-излучения. В дополнение используются детекторы нейтрино и гравитационных волн.

Обсерватория Аресибо Детектор LIGO

С помощью телескопов учёные обнаружили интереснейший эффект – гравитационное линзирование. Суть его заключается в том, что, когда наблюдатель смотрит на дальний источник света в космосе через другой космический объект, форма дальнего источника искажается. При наблюдении через линзу объекты наблюдаются ярче, чем они есть на самом деле, так как расходящийся от фонового объекта свет фокусируется объектом-линзой и попадает в прямую зону нашей видимости. Гравитационные линзы иногда позволяют нам увидеть слабые объекты, которые мы никогда бы не заметили. В зависимости от того, через какую структуру в космосе проходит свет, астрономы наблюдают Кольцо или Крест Эйнштейна.

Кольцо Эйнштейна Крест Эйнштейна

Горизонтальный параллакс

Можно ли измерить расстояние до небесных тел? Например, до Луны.

Задание: определить расстояние до Луны, используя измерительную линейку длиной 1 м и полоску бумаги шириной 0,5 см. Диаметр Луны D =3476 км (4).

Решение: направим линейку на Луну, поместив её начальный конец у одного глаза. Передвигая полоску бумаги вдоль линейки, найдём такое её положение, при котором она закрывает Луну, но без избытка.

L – искомое расстояние до Луны, D = 3476 км (диаметр Луны), l =56 см (расстояние от глаза до полоски бумаги), d =0,5 см (ширина полоски).

Из подобия треугольников следует , откуда находим

М ы видим, что с помощью простейших измерений можно получить достаточно точный результат. В настоящее время известно, что среднее расстояние от Земли до Луны ‒ 384400 км, расстояние меняется от 363104 км до 405696 км.

Более совершенным методом определения расстояния до тел Солнечной системы является метод горизонтального параллакса.

Определение угловых размеров тел

Кроме расстояний до тел, можно измерить угловые размеры тел Солнечной системы и некоторых звёзд, например, угловой диаметр Солнца ‒ от 31,6’ до 32,7’; Луны ‒ от 29,43’ до 33,5’.

Годичный параллакс

Расстояние до звёзд и далёких объектов определяется методом годичного параллакса.

Этот метод пригоден только для сравнительно близких объектов.

Эффект Доплера

Известно, что при приближении поезда к наблюдателю, звук его гудка становится выше, а при удалении – ниже. То есть частота звука, воспринимаемая наблюдателем, указывает на приближение или удаление объекта. В этом заключается суть эффекта Доплера. Этот эффект справедлив и для света. На нём основан метод красного смещения, используемый для далёких объектов Вселенной. Красное смещение – наблюдаемое для всех далёких источников (галактик, квазаров) свидетельствует об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т.е. о нестационарности (расширении) Метагалактики.

Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон красного смещения или закон Хаббла).

В теории относительности доплеровское красное смещение рассматривается как совместный результат движения источника относительно приёмника (обычный эффект Доплера) и замедления течения времени в движущейся системе отсчёта (поперечный эффект Доплера, эффект специальной теории относительности). Если скорость системы источника относительно системы приёмника составляет v, то и по наблюдаемому красному смещению легко определить лучевую скорость источника (8).

Из этого уравнения следует, что при z —> ∞ скорость v приближается к скорости света, оставаясь всегда меньше её. При скорости v, намного меньшей скорости света, формула упрощается. Закон Хаббла в этом случае записывается в форме, где H – постоянная Хаббла.

Для определения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла.

Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связан так называемый возраст Вселенной.

Следует отметить, что в космологии красное смещение интерпретируется не как результат действительного существования скорости удалённой галактики относительно наблюдателя, но как результат космологического расширения Вселенной (8).

Изучение физической природы небесных тел

Исследования Ньютона

Исаак Ньютон получил сплошной спектр солнечного света и описал его, как его разложение при прохождении через призму. Написал об этом в 1704 году в трактате “Оптика”.

Исследования Бунзена и Кирхгофа

Описанные методы не позволяют определить состав небесных тел, и до середины XIX века никто не знал из чего состоят небесные тела, пока в 1857 году Р.В. Бунзен не изобрёл свою горелку и не стал изучать поведение различных веществ при высоких температурах.

Он заметил, что некоторые элементы имеют свой определённый цвет пламени: натрий – жёлтый; калий – фиолетовый; медь – зелёный; литий – красный.

Из этого следовало, что у каждого элемента есть свой собственный “цветовой сигнал”, но возникла проблема: у некоторых элементов совпадал цвет пламени, например, у стронция и лития, тогда на помощь к Бунзену пришёл его друг Густав Роберт Кирхгоф, который изобрёл спектроскоп. Они увидели, что у каждого химического элемента свой неповторимый спектр излучения. Так был изобретён спектральный анализ.

Спектральный анализ

Для получения спектров применяют приборы, называемые спектроскопом и спектрографом. В спектроскоп спектр рассматривают, а спектрографом его фотографируют. Фотография спектра называется спектрограммой.

Спектральный анализ основан на явлении дисперсии света. Если узкий пучок белого света пустить на боковую грань трехгранной призмы, то, преломляясь в стекле по-разному, составляющие его лучи дадут на экране радужную полоску, называемую спектром. В спектре все цвета расположены всегда в определенном порядке.

Существуют следующие виды спектров земных источников и небесных тел.

1.Сплошной, или непрерывный, спектр в виде радужной полоски дают непрозрачные раскаленные тела и достаточно протяженные плотные массы газа.

2.Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пары при сильном нагревании. Каждый газ излучает свет строго определенных длин волн и дает характерный для данного химического элемента линейчатый спектр. Сильные изменения состояния газа или условий его свечения, например нагревание или ионизация, вызывают определенные изменения в спектре данного газа.

3.Линейчатый спектр поглощения дают газы и пары, когда за ними находится яркий источник, дающий непрерывный спектр. Спектр поглощения представляет собой непрерывный спектр, перерезанный темными линиями, которые находятся в тех самых местах, где должны быть расположены яркие линии, присущие данному газу.

Солнце и звезды окружены газовыми атмосферами. Непрерывный спектр их видимой поверхности перерезан темными линиями поглощения, возникающими при прохождении излучения через атмосферу звезд. Поэтому спектры Солнца и звезд — это спектры поглощения.

Спектры: 1 – Солнца, 2 – водорода, 3 – гелия, 4 – Сириуса (белая o звезда), 5 – Бетельгейзе или α Ориона (красная звезда).

Применение спектрального анализа

Первым применением спектрального анализа на практике является открытие Йозефа Фраунгофера. Он в 1814 году описал более 500 тёмных линий в спектре Солнца, которые теперь носят его имя, но объяснить их природу не смог.

Другим важным применением является открытие гелия на Солнце 19 августа П.Ж.С. Жансеном и 20 октября Д.Н. Локьером 1868 года.

П.Ж.С. Жансен Д.Н. Локьер

Именно с помощью этого метода можно получить наиболее ценные и разнообразные сведения о небесных телах. Этим методом можно установить качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие магнитного поля, скорость движения по лучу зрения и многое другое.

Почему возникают линейчатые спектры

Исследование энергетических переходов атома водорода и наблюдение линейчатого спектра водорода (2)

Теория работы

Рассчитайте возможные радиусы электронных орбит в атоме водорода:

и изобразите 3-4 орбиты.

Рассчитайте возможные значения энергии атома водорода в стационарном состоянии:

(* 1 эВ = 1,6 10 -19 Дж)

Вычислите возможные частоты (длины волн) излучений атома водорода при переходе из одного стационарного состояния в другое, пользуясь обобщенной формулой Бальмера:

Изобразите энергетическую диаграмму атома водорода, покажите на ней переходы атома
на 1, 2 и 3 уровни и обозначьте длины волн, соответствующие этим переходам, используя полученные вами результаты вычислений. Назовите полученные серии.

Используя цветную вклейку на с. 161 учебника физики под ред. Пинского выясните:

1) Какие длины волн соответствуют видимому излучению? Перечислите их цвет.

2) К какому диапазону принадлежит серия Лаймана?

К какому диапазону принадлежит оставшаяся часть серии Бальмера?

К какому диапазону принадлежит серия Пашена?

Опишите картинку, которую вы ожидаете увидеть с помощью спектроскопа.

6. Проведите наблюдение спектра испускания водорода и сделайте вывод.

Дополнительное задание : рассчитать частоты излучений и длины волн серий Брэкета и Пфунда, выяснить к какому диапазону они принадлежат.

Результаты вычисления радиусов орбит электронов, энергий ионизаций и частот излучений в атоме водорода.

Вывод: радиусы орбит электрона в атоме водорода имеют строго определённые значения, что подтверждает первый постулат Бора.

Вывод: атом водорода набор энергетических уровней. Мне удалось вычислить длины волн и частоты излучений при переходе с одного энергетического уровня на другой.

Для более наглядного представления результатов вычислений частот используется энергетическая диаграмма.

Анализируя таблицу частот излучений, я пришёл к выводу, что при переходе на первый энергетический уровень возникает невидимое ультрафиолетовое излучение (серия Лаймана); при переходе на второй уровень возникает видимое и инфракрасное излучение (серия Бальмера); при переходе на 3, 4 и 5 уровни возникает инфракрасное излучение (серии Пашена, Брекетта и Пфунда). Из данных результатов мы ожидаем увидеть в спектроскоп 4 первые линии серии Бальмера: 656 нм – красный; 486 нм – голубой; 434 нм – синий; 410 нм – фиолетовый.

Для проверки я использовал набор спектральных трубок и школьный спектроскоп. В спектре мы увидели ожидаемые линии: 3 чётких линии и одну размытую линию. Это связано с тем, что водород в лампе находится частично в молекулярном состоянии.

Вывод: результаты наблюдений совпали с результатами расчётов, сделанных на основании теории атома водорода по Бору, тем самым подтвердив справедливость теории Бора. Атом водорода излучает свет строго определенных длин волн при переходах с более высоких энергетических уровней на более низкие. Стало понятно происхождение линейчатых спектров.

Почему различаются спектры у всех атомов? Можно предположить, что у атомов различается набор энергетических уровней.

Физические методы изучения небесных тел не ограничиваются описанными мной. В настоящее время космические аппараты, посылаемые к различным объектам Солнечной Системы и даже за её пределы, позволили сделать много открытий, расширяющих наши представления об окружающем мире, однако и на этих аппаратах используется описанные выше методы, так как они являются основополагающими.

Рисунок 1 Рисунок 2

Бронштейн М.П., Солнечное вещество, М., “Наука”, 1990

О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Экспериментальные задания по физике 9-11 классы, М. Вербум-М, 2001

Читайте также: