Спектральные методы анализа реферат

Обновлено: 19.08.2024

В природе мы можем наблюдать спектр, когда на небе появляется Радуга

Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.

Первый кто открыл спектр, был Исаак Ньютон. Он провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр.

Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии.

1 . Исторические сведения

1.1 Теория возникновения цветов

2. Виды излучения

2.1 Излучения атома

Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам.

2. 2 Тепловое излучение

Наиболее простой и распространенный вид излучения - тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света. Тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция.

Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемилюминесценцией.

Падающий на вещество свет частично отражается, а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на него излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю энергию), после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда. Лампы дневного света примерно в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания.

3. Типы спектров

Спектр (лат. spectrum от лат. spectare — смотреть) – это цветная картинка состоящая из семи цветов расположенных в строгом порядке друг за другом.

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть полосатыми, дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.

3.2 Непрерывный спектр

Сплошные спектры состоят из широкого диапазона длин волн. Эти спектры наблюдают в раскаленных твердых и жидких телах, а также в газах очень высокой плотности .

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным (сплошным). Это означает, что в спектре представлены все длины волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы . Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма.

3.3 Линейчатый спектр

Линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных линий, соответствующих отдельным значениям длин волн. Линейчатые спектры наблюдают в раскаленных газах малой плотности.

На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

3.4 Полосатый спектр

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда

4. Спектральный анализ и его применение

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела.

С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества. Благодаря универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Кроме астрофизики спектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления.

Еще шире спектральный анализ используют в медицине. Здесь его применение весьма велико. Его можно использовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородные вещества в организме человека.

Спектральный анализ прогрессирует не только науку, но и общественную сферу человеческой деятельности.

И так Спектр это цветная полоса, получающаяся при прохождении светового луча через стеклянную призму или какую-либо другую преломляющую свет среду

Из видов излучения мы узнали, что тепловое излучение это самый распространённый и простой вид излучения. Тепловыми источниками являются: Солнце, лампа накаливания, или пламя огня.

Электролюминесценция - это явление наблюдается при разряде в газах, при котором возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Например северное сияние, надписи на магазинах.

Католюминесценция - Это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря католюминесценции светятся экраны электронно – лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света, причем источник света остается холодным. Например Кусок дерева, пронизанный светящейся грибницей, Рыба, обитающая на большой глубине.

Фотолюминесценция. Под действием падающего излучения, атомы вещества возбуждаются и после этого тела высвечиваются. Например, Лампа дневного света, елочные игрушки покрывают светящими красками.

Так же мы узнали что, спектральный анализ основан на методе определения химического состава вещества по его спектру.

Список используемой литературы

Учебное Издание, Справочник школьника 5-11 классы

Физика. 11 класс Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев

Рис. 2.2 Тепловое излучение

Рис. 2.3 Электролюминесценция

Рис. 2.4 Катодолюминесценция

Лучевая трубка телевизора

Рис. 2.5 Хемилюминесценция

Кусок дерева, пронизанный светящейся грибницей

Рыба, обитающая на большой глубине

Рис. 2.6 Фотолюминесценция

Лампа дневного света

Рис. 3.2 Непрерывный спектр

Рис. 3.4 Полосатый спектр

Рис. 3.5 Линейчатый спектр

4 Спектральный анализ и его применение.

Лабораторная электролизная установка

Установка предназначена для проведения

весового электролитического анализа меди,

свинца, кобальта и др. металлов в сплавах

и чистых металлах.

оптико - эмиссонные спектрометры

Предназначены для точного анализа

металлов и сплавов, включая цветные,

сплавы черных металлов и чугуны.

Тема урока Содержание изучаемого материала

Тема 1 Физика и астрономия наука о природе

. . Урок 6/48. Обобщающее повторение темы. Тема 6. Природа тел Солнечной системы. . Урок 10/35. Сплошной линейный спектр. Спектральный анализ. Урок 11/36. Лабораторная . Урок 45/45. Различные виды электромагнитных излучений, их свойства и практическое .

Рабочая программа дисциплины дисциплина сд. Ф. 10 Спектральные методы исследования в биохимии Укрупненная группа

. спектра Спектральный анализ однокомпонентных сред в ультрафиолетовой области Методика расчета концентрации компонентов раствора по спектру Спектральный анализ . излучения. Молярный коэффициент поглощения. Оптическая плотность. 15. Различные виды .

050141 Физическая культура Матрица контрольных процедур Первый семестр

. света? Что это доказывает? ТЕМА: Виды спектров, Спектральный анализ, шкала электромагнитных излучений. Тепловое излучение, его характеристики. Закон .

Спектральный анализ. Спектральный анализ ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и другие.

В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа.

Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.

Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Под названием спектральный анализ мы понимаем физический метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул. Эти спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, колебаниями атомных ядер в молекулах и вращением молекул, а также воздействием массы и структуры атомных ядер на положение энергетических уровней; кроме того они зависят от взаимодействия атомов и молекул с окружающей средой. В соответствии с этим спектральный анализ использует широкий интервал длин волн — от рентгеновых до микрорадиоволн. В спектральный анализ не входят масспектроскопические методы анализа, как не относящиеся к области использования электромагнитных колебаний.

Задача ограничивается пределами оптических спектров. Однако и эта область достаточно широка, она охватывает вакуумную область ультрафиолетовых излучений, ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра. В практике современный спектральный анализ использует излучения с длиной волны примерно от 0,15 до 40—50нм.

Различные типы спектрального анализа следует рассматривать с трех точек зрения.

1. По решаемым задачам:

элементный, когда устанавливается состав пробы по элементам;

изотопный, когда устанавливается состав пробы по изотопам;

молекулярный, когда устанавливается молекулярный состав пробы;

структурный, когда устанавливаются все; или основные структурные составляющие молекулярного соединения (24, "https://referat.bookap.info").

2. По применяемым методам:

эмиссионный, использующий спектры излучения, главным образом атомов. Однако возможен эмиссионный анализ и молекулярного состава, например в случае определения состава радикалов в пламенях и газовом разряде. Особым случаем эмиссионного анализа является люминесцентный анализ;

абсорбционный, использующий спектры поглощения, главным образом молекул и их структурных частей; возможен анализ по спектрам поглощения атомов;

комбинационный, использующий спектры комбинационного рассеяния твердых, жидких и газообразных проб, возбуждаемые монохроматическим излучением, обычно — светом отдельных линий ртутной лампы;

люминесцентный, использующий спектры люминесценции вещества, возбуждаемые главным образом ультрафиолетовым излучением или катодными лучами;

рентгеновский, использующий а) рентгеновские спектры атомов, получающиеся при переходах внутренних электронов в атомах, б) дифракцию рентгеновых лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения структуры вещества;

радиоспектроскопический, использующий спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с длинами волн больше 1 мм.

3. По характеру получаемых результатов:
1) качественный, когда в результате анализа определяется состав без указания на количественное соотношение компонентов или дается оценка — много, мало, очень мало, следы;
2) полуколичественный, или грубо количественный, или приближенный. В этом случае результат выдается в виде оценки содержания компонентов в некоторых более или менее узких интервалах концентраций в зависимости от применяемого метода приближенной количественной оценки. Этот метод благодаря его быстроте нашел широкое применение при решении задач, нетребующих точного количественного определения, например при сортировке металла, при оценке содержания геологических проб при поисках полезных ископаемых;
3) количественный, при котором выдается точное количественное содержание определяемых элементов или соединений в пробе.

Все эти типы анализа, за исключением качественных, используют упрощенные или точные методы фотометрирования спектров.

По способу регистрации спектров различаются следующие методы:

1. Визуальные при наблюдении спектров в видимой области с помощью простых или специализированных спектроскопов (стилоскоп, стилометр). В ультрафиолетовой области. возможно наблюдение сравнительно ярких спектров с помощью флуоресцирующих экранов, располагаемых вместо фотографической пластинки в кварцевых спектрографах. Применение электронно-оптических преобразователей позволяет визуально наблюдать спектры в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях (до 12 000А).
2. Фотографические, использующие фотографическую пластинку или пленку для регистрации спектров с последующей обработкой.
3. Фотоэлектрические для ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областей, использующие фотоэлементы разных типов" фотоумножители и фотосопротивления (инфракрасная область). Фотоэлектрические методы иногда называются методами прямого анализа, т. е. анализа без посредства фотографической пластинки.
4. Термоэлектрические для инфракрасной области, в том числе далекой, с использованием термоэлементов, болометров и других типов термоэлектрических приемников.

Рассмотренные выше типы спектрального анализа имеют ряд общих черт, поскольку все они используют спектры атомов или молекул как средство для проведения анализа. Действительно, во всех случаях необходимо в первую очередь получить спектр пробы, затем расшифровать этот спектр по таблицам или атласам спектров, т. е. найти в этом спектре линии или полосы, характерные для определяемых атомов, молекул или структурных элементов молекул. Этим ограничивается качественный анализ. Для получения количественной величины концентрации надо, кроме того, определить интенсивность этих характерных линий или полос (фотометрировать спектр), затем определить величину концентрации, используя зависимость между концентрацией и интенсивностью линий или полос. Зависимость эта «должна быть получена либо на основании теоретических соображений, либо эмпирическим путем в виде аналитической кривой, построенной на основе набора проб с заданными концентрациями (эталоны).

Применение абсорбционной спектроскопии основано на след. законах.

Закон Бугера-Ламберта: если среда однородна и слой в-ва перпендикулярен падающему параллельному световому потоку, то I = I0 exp (— kd), где I0 и I-интенсивности соотв. падающего и прошедшего через в-во света, d-толщина слоя, k-коэф. поглощения, к-рый не зависит от толщины поглощающего слоя и интенсивности падающего излучения. Для характеристики поглощат. способности широко используют коэф. экстинкции, или светопоглощения; k' = k/2,303 (в см-1) и оптич. плотность, А = lg I0/I, а также величину пропускания Т= I/I0. Отклонения от закона известны только для световых потоков чрезвычайно большой интенсивности (для лазерного излучения). Коэф. k зависит от длины волны падающего света, т.к. его величина определяется электронной конфигурацией молекул и атомов и вероятностями переходов между их электронными уровнями. Совокупность переходов создает спектр поглощения (абсорбции), характерный для данного в-ва.

Закон Бера: каждая молекула или атом независимо от относит. расположения др. молекул или атомовпоглощает одну и ту же долю энергии излучения, т. е. , где с-концентрация в-ва. Если с выражена вмоль/л, наз. молярным коэф. поглощения. Отклонения от этого закона свидетельствуют об образовании димеров, полимеров, ассоциатов, о хим. взаимодействии поглощающих частиц.

Объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера:

Вид спектра поглощения определяется как природой образующих его атомов и молекул, так и агрегатным состоянием в-ва. Спектр разреженных атомарных газов — ряд узких дискретных линий, положение к-рых зависит от энергии основного и возбужденных электронных состояний атомов. Спектры молекулярных газов — полосы, образованные тесно расположенными линиями, соответствующими переходам между колебательным и вращательным энергетич. уровнями молекул. Спектр в-ва в конденсиров. фазе определяется не только природой составляющих его молекул, но и межмол. взаимодействиями, влияющими на структуру электронных уровней. Обычно такой спектр состоит из ряда широких полос разл. интенсивности. Иногда в нем проявляется структура колебат. уровней (особенно укристаллов при охлаждении). Прозрачные среды, напр. вода, кварц, не имеют в спектре полос поглощения, а обладают лишь границей поглощения.

По спектрам поглощения проводят качеств. и количеств. анализ в-в Абсорбционная спектроскопия широко применяют для изучения строения в-ва. Она особенно эффективна при исследовании процессов в жидких средах; по изменениям положения, интенсивности и формы полос поглощения судят об изменениях состава и строения поглощающих свет частиц без их выделения из р-ров.

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

Реферат

ТЕМА: Спектры и спектральный анализ в физике

Содержание

1. Виды спектров

2. Спектральный анализ

3. Спектральные аппараты

4. Инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра

5. Спектр видимого света

Виды спектров.

Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные спектры.

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены все длины волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.

Распределение энергии по частотам, т.е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности от частоты имеет максимум при определенной частоте v _max . Энергия излучения, приходящаяся на очень малые ( v → 0) и очень большие ( v → ∞) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры.

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры.

Спектры поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету ( -5 см), и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектральный анализ.

На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10 -10 . Это очень чувствительный метод.

Спектральные аппараты

Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.
Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран - матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.
Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.

Инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра

В начале XIX в. было обнаружено, что выше (по длине волны) красной части спектра видимого света находится невидимый глазом инфракрасный участок спектра, а ниже фиолетовой части спектра видимого света находится невидимый ультрафиолетовый участок спектра.

Длины волны инфракрасного излучения заключены в пределах от

310 -4 до 7,610 -7 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его тепловое действие. Источником инфракрасного является любое тело. Интенсивность этого излучения тем выше, чем больше температура тела. Инфракрасное излучение исследуют с помощью термопар и болометров. На использование инфракрасного излучения основан принцип действия приборов ночного видения.

Длины волн ультрафиолетового излучения заключены в пределах от

410 -7 до 610 -9 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его химическое и биологическое действие. Ультрафиолетовое излучение вызывает явление фотоэффекта, свечение ряда веществ (флуоресценцию и фосфоресценцию). Оно убивает болезнетворных микробов, вызывает появление загара и т.д.

В науке инфракрасное и ультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомов вещества.

Спектр видимого света

На экране за преломляющей призмой монохроматические цвета в спектре располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны _к=7,610 -7 м и наименьший показатель преломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющий наименьшую в видимом спектре длину волны _ф=410 -7 м и наибольший показатель преломления).

Химический анализ металлов и сплавов является важной процедурой, с помощью которой можно контролировать наличие в том или ином металле каких либо, примесей и включений других металлов. Физико-химические методы анализа металлов и сплавов позволят определить чистоту материала на предмет содержания в нем нежелательных примесей. Это в свою очередь позволит прогнозировать технические характеристики будущих деталей, которые будут производиться с применением того или иного металла либо сплавов нескольких металлов.

Спектральные методы анализа - это методы, основанные на определении химического состава и строения веществ по их спектру. Спектром вещества называют упорядоченное по длинам волн электромагнитное излучение, испускаемое, поглощаемое, рассеиваемое или преломляемое веществом. Методы, основанные на получении и изучении спектров испускания (эмиссии) электромагнитного излучения (энергии), называют эмиссионными, поглощения (абсорбции) - абсорбционными, рассеяния - методами рассеяния, преломления - рефракционными.

Спектр вещества получают, воздействуя на него температурой, потоком электронов, световым потоком (электромагнитной энергией) с определённой длиной волны (частоты излучения) и другими способами. При определённой величине энергии воздействия вещество способно перейти в возбуждённое состояние. При этом происходят процессы, приводящие к появлению в спектре излучения с определённой длиной волны.

Излучение, поглощение, рассеяние или рефракция электромагнитного излучения может рассматриваться как аналитический сигнал, несущий информацию о качественном и количественном составе вещества или о его структуре. Частота (длина волны) излучения определяется составом исследуемого вещества, а интенсивность излучения пропорциональна числу частиц, вызвавших его появление, т.е. количеству вещества или компонента смеси.

Каждый из аналитических методов обычно использует не полный спектр вещества, охватывающий диапазон длин волн от рентгеновских излучений до радиоволн, а только определённую его часть. Спектральные методы обычно различают по диапазону длин волн спектра, являющемуся рабочим для данного метода: ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские, инфракрасные (ИК) и микроволновые.

Химический анализ металлов и сплавов

Металлы, а также их сплавы широко используются в разных отраслях промышленности и народного хозяйства. В чистом виде металлы практически не существуют – они обязательно имеют в своем составе природные или технологические примеси. От их типа и концентрации напрямую зависят эксплуатационные параметры будущей продукции, которая производится из металла. Использование химического анализа позволит установить его качественные и количественные свойства. В процессе проведения этого анализа можно будет: определить количественный состав элементов; выявить наличие инородных соединений и их концентрацию; провести идентификацию сплавов; определять соотношение смесей в металлических сплавах при их маркировке. Стоит отметить: современный химический анализ металлов и сплавов является важным этапом экспертизы, которая используется для определения качества продукции и проверки ее соответствия текущим стандартам. В основном анализ проводится для: экспертизы качества выпускаемых металлов и сплавов на предмет их соответствия текущим стандартам; контроля технологических процессов на этапе производства; выполнения входной экспертизы сырья; разработки и создания новых сплавов; сертификации продукции из металла; освидетельствования чистых металлов.

Методы химического анализа являются основными при определении состава различных веществ. Современный химический анализ металлов и сплавов является важным этапом экспертизы, которая используется для определения качества продукции и проверки ее соответствия текущим стандартам. Без этой процедуры не проводятся технологические процессы в отрасли производства сталей, она необходима при создании и выпуске новых материалов, а также контроле выпускаемой продукции современными предприятиями. От правильности и точности проведенного анализа будет зависеть качество и надежность будущей продукции, которая производится с использованием металлов и их сплавов.

Задачи изучения спектров

Точность атомного спектрального анализа зависит, главным образом, от состава и структуры исследуемых объектов. Анализировать состав близких по своей структуре и составу образцов, можно с погрешностью ±1 – 3% по отношению к определяемой величине.

Исследование сплавов в процессе плавки с целью получения сплава нужного состава;
Анализ готовых сплавов с целью определения марки сплава (сортировки), либо точное определение его состава или определение содержания вредных примесей;
Контроль качества готовых изделий;
Контроль правильности применения сплавов при монтаже готовых изделий;
Проверка различного рода покрытий;
Иногда необходимо определять распределение примесей и включений в металле.

Для того чтобы атомы начали испускать свет, их необходимо возбудить электрическим разрядом. Электрический разряд в виде искры в атмосфере аргона способен возбудить большое количество элементов. Достигается высокотемпературная (более 10000 К) плазма, способная возбудить даже такой элемент, как азот.

В искровом штативе между вольфрамовым электродом и исследуемым образцом возникают искры с частотой от 100 до 1000 Гц. Искровой стол имеет световой канал, по которому полученный световой сигнал попадает в оптическую систему. При этом световой канал и искровой штатив продуваются аргоном. Попадание воздуха из окружающей среды в искровой штатив ведет к ухудшению пятна обжига и соответственно к ухудшению качества химического анализа пробы.

Современная оптическая система выполнена по схеме Пашена-Рунге. Спектральное разрешение оптической системы зависит от фокального расстояния, количества штрихов используемой дифракционной решетки, параметра линейной дисперсии и квалифицированном выполнении юстировки всех оптических компонентов. Для покрытия всех необходимых эмиссионных линий достаточно охватывать спектральную область от 140 до 680 нм. Для хорошей видимости спектра оптическая камера должна быть заполнена инертным газом (аргоном высокой частоты) или вакуумирована.

Прибор для спектрального анализа металла — анализатор М5000. В качестве регистрирующих элементов современные анализаторы металлов, оснащаются CCD детекторами (или ФЭУ), которые преобразуют видимый свет в электрический сигнал, регистрируют его и передают на компьютер. На экране монитора мы наблюдаем концентрации элементов в процентах.

Интенсивность спектральной линии анализируемого элемента, помимо концентрации анализируемого элемента, зависит от большого числа различных факторов. По этой причине рассчитать теоретически связь между интенсивностью линии и концентрацией соответствующего элемента невозможно. Вот почему для проведения анализа необходимы стандартные образцы, близкие по составу к анализируемой пробе. Предварительно эти стандартные образцы экспонируются (прожигаются) на приборе. По результатам прожигов для каждого анализируемого элемента строится градуировочный график, зависимость интенсивности спектральной линии элемента от его концентрации. Впоследствии, при проведении анализа проб, по этим градуировочным графикам производится пересчет измеренных интенсивностей в концентрации.

Точность и преимущества метода

Метод спектрального анализа отличается высокими показателями чувствительности, что позволяет определять даже малейшие концентрации примесей в металлах и сплавах. Показатель чувствительности этого метода находится в пределах 10-5…10-7%.

Что касается точности, то метод позволяет получить показатель в пределах 5% при небольших концентрациях примесей и до 3% при более высоком содержании примесей.

возможность параллельного определения сразу 70-ти элементов в составе металла или его сплава;
высокая скорость проводимого анализа;
низкий порог обнаружения примесей;
высокая точность и чувствительность;
информативность полученных результатов;
относительная простота проведения эксперимента;
возможность исследования больших изделий без ущерба их поверхностям.

Области применения

Методы атомного спектрального анализа, качественного и количественного, разработаны значительно лучше, чем молекулярного, и имеют более широкое практическое применение. Атомные спектральные исследования используют для анализа самых разнообразных объектов. Область его применения очень широка: черная и цветная металлургия, машиностроение, геология, химия, биология, астрофизика и многие другие отрасли науки и промышленности.

Область использования молекулярной спектроскопии в основном охватывает анализ органических веществ, хотя применима и для изучения неорганических соединений. Молекулярный анализ спектров внедряется, главным образом, в химической, нефтеперерабатывающей и химико-фармацевтической промышленности.

Выполнение химического анализа металлов и сплавов стало необходимым атрибутом в различных отраслях промышленности. Без этой процедуры не проводятся технологические процессы в отрасли производства сталей, она необходима при создании и выпуске новых материалов, а также контроле выпускаемой продукции современными предприятиями. От правильности и точности проведенного анализа будет зависеть качество и надежность будущей продукции, которая производится с использованием металлов и их сплавов .

1. Гармаш, А.В. Введение в спектроскопические методы анализа.Оптические методы анализа. - Москва, 1995.

2. Якунина, И.В. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг./ И.В. Якунина, Н.С. Попов - Тамбов: ТГТУ, 2009.

3. Сотникова, Е.В. Аналитические методы экологического мониторинга./Е.В. Сотникова, Н.Ю. Калпина, Е.В. Ряховская, Б.В. Смирин - Москва: МГТУ "Мами", 2011.

4. Саксонов, М.Н. Экологический мониторинг нефтегазовой отрасли. Физико-химические и биологические методы./М.Н. Саксонов, А.Д. Абалаков, Л.В. Данько, О.А. Бархатова, А.Э. Балаян, Д.И. Стом - Иркутск: Иркутский государственный университет, 2005.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Спектральные методы анализа. Спектры, способы их получения, особенности, классификация и использование для аналитических целей. Основные элементы спектральных приборов и их назначение

Спектральные методы анализа - это методы, основанные на определении химического состава и строения веществ по их спектру.

Спектром вещества называют упорядоченное по длинам волн электромагнитное излучение, испускаемое, поглощаемое, рассеиваемое или преломляемое веществом. Методы, основанные на получении и изучении спектров испускания (эмиссии) электромагнитного излучения (энергии), называют эмиссионными, поглощения (абсорбции) - абсорбционными, рассеяния - методами рассеяния, преломления - рефракционными.

Методы, работающие в УФ, видимом и ИК диапазоне называют оптическими. Они больше всего применяются в спектральных методах вследствие сравнительной простоты оборудования для получения и регистрации спектра.

Спектры оптического диапазона являются результатом изменения энергии атомов или молекулах.

Атомные и молекулярные процессы

сцинциляционные счётчики, фотопластины

Переходы внешних электронов

Рентгеновские трубочки, искра, пламя, дуга

Нагретые металлические нити

В результате изменения энергии атома или молекулы они переходят из основного состояния с минимально возможной внутренней энергией Е0 в возбужденное состояние с энергией Е1. Внутренняя энергия является величиной дискретной (квантовой), поэтому переход атома или молекулы из основного состояния в другое всегда сопровождается скачкообразным изменением энергии, т.е. получением или отдачей порции (кванта) энергии.

Квантами электромагнитного излучения являются фотоны, энергия которых связана с частотой и длиной волны излучения известным соотношением

где Е = Е1 - Е2, Е1 - энергия начального, а Е2 - энергия конечного состояния атома или молекулы, между которыми происходит переход; h - постоянная Планка; с - скорость света;  - частота;  - длина волны электромагнитного излучения.

При возбуждении атома происходит перемещение электронов с внешних заполненных уровней на незаполненные более высокие энергетические уровни.

В возбуждённом состоянии атом не может долго находиться. Он стремится отдать полученную избыточную энергию и возвратиться в невозбуждённое состояние. Через очень короткое время (10-8 - 10-7с) атом самопроизвольно возвращается из возбуждённого состояния в основное или промежуточное.

При переходе электрона с верхнего уровня на нижний выделяется фотон - квант излучения с определёнными  и .

Схематично электронные переходы в атомах между различными состояниями, сопровождающиеся испусканием и поглощением квантов электромагнитного излучения, можно представить в виде схемы (рис.2.2.1).

Горизонтальными линиями на рис.2.2.1. изображены уровни энергии различных состояний атома. Уровень Е0 это уровень основного состояния; Е1, Е2, Е3 - уровни возбуждённых состояний в порядке возрастания их энергии. Вертикальные стрелки соответствуют испусканию (стрелка вниз) или поглощению () фотона. Очевидно, что

01 = 10, 13 = 31 и т.д.

Совокупность фотонов, испускаемых или поглощаемых при каком - либо одном электронном переходе атома, создающая излучение с одной длиной волны, называется спектральной линией. Длина волны спектральной линии может быть определена из соотношения  = . Совокупность спектральных линий, относящихся к определённому атому (молекуле), образует спектр данного атома (молекулы).

Спектр, обусловленный переходом при Е1  Е2, называется спектром испускания, а при Е1  Е2 - спектром поглощения. Переходы и соответствующие спектральные линии, проходящие с основного энергетического уровня или на него, называются резонансными.

Для возбуждения спектральной линии необходима определённая энергия, называемая потенциалом возбуждения. Если сообщить атому слишком большую энергию, то может произойти полное удаление электрона, т.е. ионизация атома. Необходимая для этого энергия называется потенциалом ионизации. Резонансные линии самые яркие и характеризуются наименьшим потенциалом возбуждения.

Изменение энергии молекулы сопровождается изменением как энергии колебаний и вращений, т.е. у молекулы нет чисто электронных переходов, а возможны только электронно-колебательно-вращатель-ные (ЭКВ) переходы. Число возможных ЭКВ переходов у молекулы значительно больше, чем у атомов, поэтому, как правило, спектры молекул сложнее и состоят из большего числа спектральных линий в оптическом диапазоне длин волн. Принципиальную схему энергетических уровней молекулы можно представить следующим образом (рис.2.2.2).

Рис.2.2.2. Схема энергетических уровней молекулы

Как для молекул, так и для атомов проявляются не все мыслимые переходы. Переходы регламентируются так называемыми правилами отбора: разрешенными являются переходы, при которых квантовое число меняется на единицу (например, S  p , p  d и т.д.).

Для аналитических целей можно использовать как эмиссионные, так и абсорбционные спектры, поскольку они взаимосвязаны. Например, свет, излучаемый раскалёнными парами металлического натрия, пропущенный через призму, даёт две очень близкие желтые линии с длинами волн 589,0 и 589,6 мкм. Это так называемые D - линии натрия. С другой стороны, если пропускать полихроматический белый свет (т.е. Совокупность пучков света со всеми длинами волн) через пары натрия, а затем разложить его на составляющие цвета в стеклянной призме, то на фоне непрерывного спектра будут обнаружены две чёрные линии как раз на месте D - линий. Следовательно, пары натрия поглощают излучение именно с теми длинами волн, какие они испускают при возбуждении.

Это - общая закономерность, поэтому спектральный анализ можно проводить как по спектру испускания, так и по спектру поглощения. Первый способ удобен для анализа материалов, в которых легко возбуждается спектр испускания составляющих веществ, например металлов и газов, а второй - более удобен при анализе материалов, в которых трудно вызвать возбуждение составляющих веществ (например, растворы).

Эмиссионные спектры делятся на сплошные, полосатые, линейчатые (рис.2.2.3). Сплошные (или непрерывные) спектры содержат все длины волн в определённом интервале.

жидкие или твёрдые тела. Полосатые спектры возникают при излучении ионизированных и неионизированных молекул, состоящих из двух и более атомов, если эти молекулы удалены друг от друга настолько, что не взаимодействуют с соседними молекулами. Линейчатые спектры испускают атомы или ионы,

Их испускают раскалённые которые находятся на таких расстояниях друг от друга, что их излучение можно считать независимым. Газы и пары металлов имеют линейчатые спектры.

Линии в спектрах атомов расположены не беспорядочно, а объединяются в группы, называемые сериями. Расстояния между линиями в серии закономерно убывают по мере перехода от более длинных волн к более коротким.

Бальмеером для простейшего линейчатого спектра водорода было обнаружено, что частоты спектральных линий в сериях, расположенных в различных областях электромагнитного излучения, находятся в определённой закономерной связи друг с другом, которую в общем виде для всех элементов выразили зависимостью

или в определённых случаях

где  - частота, соответствующая каждой из рассматриваемых линий; Ry - постоянная Ридберга, равная 3,2898·1015 Гц;

m и n - целые числа ( m - постоянное для каждой отдельной серии, а n - переменное);

s , p , d , f - малые десятичные дроби порядка 0,1…0,6.

Таким образом, частота любой спектральной линии может быть представлена разностью двух членов:

называемых спектральными термами или просто термами (от латинского terminus - пограничный знак). Оказалось, что различные термы могут попарно комбинироваться, давая начало новым сериям. Однако не все термы могут таким образом комбинироваться. Ограничения на комбинирование регламентируются правами отбора.

Физический смысл терма становится ясен, если умножить левую и правую части уравнения для  на постоянную Планка h (равную 6,626  10-34 Дж  с). Тогда левая часть уравнения h - энергия фотона, а правая - разность энергий. Следовательно, члены уравнения h Т1 и h Т2 - есть не что иное, как разность энергий энергетических уровней атома, получившего фотон при переходе из одного энергетического состояния в другое.

Любая серия спектральных линий обусловлена переходом электронов из ряда высших энергетических уровней на один определённый более низкий уровень (постоянный терм, первый член в правой части уравнения). Индивидуальные особенности атомов элементов, проявляющиеся в их спектрах, сказываются в поправочных членах серийных формул - s , p , d , f .

Атом каждого элемента характеризуется определённой системой энергетических уровней и, следовательно, определённым набором спектральных линий в спектре испускания. Поэтому спектры атомов могут быть использованы для их распознавания, т.е. Для качественного анализа.

Помимо величины длины волны спектральная линия имеет ещё одну важную характеристику - интенсивность. Интенсивность спектра испускания (эмиссии) связана с энергией, испускаемой возбуждёнными атомами или молекулами вещества.

Интенсивности спектров зависят от вероятностей переходов, от заселённости уровней, начальных для этих переходов.

Для спектров испускания величину интенсивности () спектральной линии можно представить в виде

где 12 - длина волны спектральной линии, соответствующей переходу из состояния (1) в состояние (2);

А12 - коэффициент Энштейна, определяющий вероятность перехода из состояния (1) в состояние (2) с испусканием фотона;

N 1 - число атомов или молекул в состоянии (1).

Из формулы следует связь интенсивности линии с числом возбуждённых атомов или молекул. Чем больше число возбуждённых атомов (молекул), тем больше интенсивность спектральной линии. Поэтому, измеряя интенсивность спектральной линии, можно определить число возбуждённых атомов (молекул), т.е. решить задачу количественного анализа.

Спектры испускания обусловлены переходами, при которых происходит уменьшение энергии атома (молекулы). Такие переходы происходят самопроизвольно - любая система стремится иметь минимальный запас потенциальной энергии.

Спектры поглощения связаны с переходами, при которых происходит увеличение энергии поглощающих излучение атомов (молекул). Такие переходы называются вынужденными, так как они возможны только при взаимодействии атомов (молекул) с фотонами, поэтому интенсивность спектральных линий в спектре поглощения зависит не только от числа поглощающих излучение частиц и вероятности такого поглощения, но и от числа фотонов, которые могут быть поглощены.

Интенсивность спектральных линий в спектре поглощения может быть записана так:

где В21 - коэффициент Эйнштейна, определяющий вероятность электронного перехода из состояния (2) в состояние (1) при взаимодействии атома (молекулы) с фотоном;

N 2 - число атомов (молекул) в единице объёма в состоянии (2);

(21) - плотность излучения данной длины волны, т.е. Энергия фотона в единице объёма

где n (21) - число фотонов длины волны 21.

В такой записи интенсивность спектральной линии соответствует количеству энергии, поглощаемой N 2 атомами (молекулами) в единице объёма в единицу времени.

Для определения положения (длин волн) спектральных линий и их интенсивностей необходимо использовать приборы, позволяющие выделять из всего спектра отдельные монохроматические (одноцветные) составляющие и измерять количество переносимой ими энергии.

Для монохроматизации часто используют светофильтры, т.е. устройства, изменяющие спектральный состав или энергию падающего на него излучения. Основной характеристикой светофильтра является его пропускание. Если в определённом интервале  пропускание не зависит от длины волны, то такой светофильтр называется нейтральным, или серым, в противном случае - селективным. Селективные фильтры используют либо для выделения узкой спектральной области (узкополосные), либо для отделения широкой области спектра. Лучшие узкополосные фильтры имеют полосу пропускания ~0,1нм, однако количество пропускаемого ими излучения невелико, поэтому основное назначение светофильтров при спектральных исследованиях - грубая монохроматизация или неселективное ослабление излучения.

Для более полной монохроматизации излучения используют спектральные приборы, действие которых основано на преобразовании диспергирующим элементом пучка неразложенного излучения в совокупность пучков различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов применяют призмы и дифракционные решетки. Принципиальная схема спектрального прибора приведена на рис.2.2.4.

Спектральный прибор состоит из входной щели 1, освещаемой спектрально неразложенным светом, объектива коллиматора 2, назначение которого - формирование спектрально неразложенного света в параллельный пучок и направление его на диспергирующий элемент 3 объектива камеры 4, назначение которого - фокусирование пучков различных длин волн (1,  2 и т.д.) в различных местах фокальной плоскости 5. Поскольку входная щель, расположенная в фокусе объектива коллиматора, является источником света для спектрального прибора, то в фокальной плоскости объектива камеры формируются её монохроматические изображения. Выходная щель, поставленная в фокальной плоскости, вырезает из всего спектра интервал длин волн . Такой прибор называется монохроматизатором.

Рис.2.2.4. Принципиальная схема спектрального прибора: 1 - входная

щель; 2 - объектив коллиматора ( D 1-его диаметр, f 1-фокусное расстояние); 3 - призма;

4 - объектив камеры ( D 2 - диаметр, f 2 - фокусное расстояние); 5 - фокальная плоскость

Приёмником излучения может служить глаз, но его возможности простираются на  приблизительно от 400 до 700 нм. Глаз не даёт возможности проводить количественную оценку мощности раздражи-теля, однако достаточно хорошо улавливает небольшие различия в интенсивности почти одинаковых источников, поэтому визуальные исследования применяют в качественном анализе и практически не используют в количественном спектральном анализе.

Большое распространение в качестве приёмников излучения получили фотоэлементы и фотоумножители, устройства преобразующие энергию светового потока в электрический ток.

Фотоэлемент (рис.2.2.5) представляет собой вакуумную колбу, на одну из стенок которой нанесён фоточувствительный слой (фотокатод) и внутри располагается анод.

При попадании электромагнитного излучения на фотокатод в цепи возникает электрический ток ( i ), создающий на сопротивлении R разность потенциалов, которая может быть измерена разными способами. Обычно выбирают такой режим, чтобы фототок линейно зависел от интенсивности падающего излучения. Для исследования малых световых потоков используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). ФЭУ - фотоэлементы, усиливающие фототок до 106 раз, регистрируемый затем гальванометром.

Рис.2.2.5. Принципиальная схема фотоэлемента.

Наряду с фотоэлементами и ФЭУ в качестве приемников излучения применяют также фотоматериалы (фотопластинки, фотоплёнки), позволяющие задокументировать спектр излучаемого вещества.

Читайте также: