Что называют спектральным анализом кратко

Обновлено: 02.07.2024

Виды спектров

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен.
Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.

Непрерывные спектры

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным.
Это означает, что в спектре представлены волны всех длин 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 разных тел различно.
Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум при определенной частоте v_max.
Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (ν → 0) и очень большие (ν → ∞) частоты, ничтожно мала.
При повышении температуры тела максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные) спектры

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

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования не только определяются 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 столкновениях электронов с ионами.

Линейчатые спектры

Если внести в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли, то при наблюдении пламени в спектроскоп видно, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия.
Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени.
Каждый из спектров — это 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).

Примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре дано на рисунке.
Каждая линия 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 излучают свет строго определенных длин 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 большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры

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 образуются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

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

Спектры поглощения

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны.
Энергия этих волн определенным образом распределена по длинам волн.
Поглощение света веществом также зависит от длины волны.
Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (λ ≈ 8 • 10 -5 см), и поглощает все остальные.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, не излучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии.
Газ поглощает наиболее интенсивно свет именно тех длин волн, которые он сам испускает в сильно нагретом состоянии.
Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Итак,
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.

Спектральный анализ

Линейчатые спектры имеют большое значение, потому что их структура тесно связана со строением атома.

Главное свойство линейчатых спектров в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра 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 и основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру.
Подобно отпечаткам пальцев у людей, линейчатые спектры различных элементов имеют неповторимую индивидуальность.
Благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить, из каких элементов состоит тело.
С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10 -10 г.
Это очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения.
Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются.
Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный (а не только качественный) спектральный анализ.

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии.
С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

Спектральный анализ можно проводить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения.
Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел.
Ярко светящаяся поверхность Солнца—фотосфера — дает непрерывный спектр.
Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

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

Излучение и спектры. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ, физический метод качественного и количественного определения состава вещества, проводимый по его спектрам оптическим. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения) . В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений; в количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, геологии и др. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг) , необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов. Мощным инструментом обработки данных, определенных дискретной зависимостью y(xi) или непрерывной функцией f(x) (полученной, например посредством интерполяции или регрессии, как об этом рассказано в главе 13), является спектральный анализ, имеющий в своей основе различные интегральные преобразования. Спектральный анализ используется как в целях подавления шума, так и для решения других проблем обработки данных. Спектром совокупности данных у (х) называют некоторую функцию другой координаты (или координат) F(w), полученную в соответствии с определенным алгоритмом. Примерами спектров являются преобразование Фурье (см. разд. 14. Т) и вейвлет-преобразование (си. разд. 14.2). Напомним, что некоторые преобразования, например, Фурье и Лапласа, можно осуществить в режиме символьных вычислений (см. главу 5). Каждое из интегральных преобразований эффективно для решения своего круга задач анализа данных.

Задачами, непосредственно связанными со спектральным анализом, являются проблемы сглаживания и фильтрации данных (см. разд. 14.3). Они заключаются в построении для исходной экспериментальной зависимости y(xi) некоторой (непрерывной или дискретной) зависимости f (х) , которая должна приближать ее, учитывая к тому же, что данные (xi,yi) получены с некоторой погрешностью, выражающей шумовую компоненту измерений. При этом функция f (х) с помощью того или иного алгоритма уменьшает погрешность, присутствующую в данных (xi,yi). Такого типа задачи называют задачами фильтрации. Сглаживание путем построения регрессии данных (см. разд. 13.2) — это частный случай фильтрации.

набери вопрос
если интересует простое объяснение своими словами, пометь в вопросе

Спектральный анализ - это один из методов обработки сигналов, который позволяет охарактеризовать частотный состав измеряемого сигнала. Преобразование Фурье является математической основой, которая связывает временной или пространственный сигнал (или же некоторую модель этого сигнала) с его представлением в частотной области. Методы статистики играют важную роль в спектральном анализе, поскольку сигналы, как правило, имеют шумовой или случайный характер. Если бы основные статистические характеристики сигнала были известны точно или же их можно было бы без ошибки определить на конечном интервале этого сигнала, то спектральный анализ представлял бы собой отрасль точной науки. Однако в действительности по одному-единственному отрезку сигнала можно получить только некоторую оценку его спектра.

К обработке сигналов в реальном масштабе времени относятся задачи анализа аудио, речевых, мультимедийных сигналов, в которых помимо трудностей, связанных непосредственно с анализом спектрального содержания и дальнейшей классификацией последовательности отсчетов (как в задаче распознавания речи) или изменения формы спектра - фильтрации в частотной области (в основном относится к мультимедийным сигналам) , возникает проблема управления потоком данных в современных вычислительных системах. Реальность накладывает отпечаток как на сами вычислительные алгоритмы, так и на результаты экспериментов, поднимая вопросы, с которыми не сталкиваются при обработке всей доступной информации.

При обработке сигналов обычно приходится решать задачи двух типов - задачу обнаружения и задачу оценивания. При обнаружении нужно дать ответ на вопрос, присутствует ли в данное время на входе некоторый сигнал с априорно известными параметрами. Оценивание - это задача измерения значений параметров, описывающих сигнал

Сигнал часто зашумлен, на него могут накладываться мешающие сигналы. Поэтому для упрощения указанных задач сигнал обычно разлагают по базисным составляющим пространства сигналов. Для многих приложений наибольший интерес представляют периодические сигналы. Вполне естественно, что используются Sin и Cos. Такое разложение можно выполнить с помощью классического преобразования Фурье.

При обработке сигналов конечной длительности возникают интересные и взаимозависимые вопросы, которые необходимо учитывать в ходе гармонического анализа. Конечность интервала наблюдения влияет на обнаружимость тонов в присутствии сильных шумов, на разрешимость тонов меняющейся частоты и на точность оценок параметров всех вышеупомянутых сигналов.

В спектре пламени сжигаемой муки (пудра с чего бы то ни было) ищут спектры разных химических элементов, и узнают их наличие - это так называемый "качественный" анализ, потому что мы знаем только элементы, но не знаем их колличества. Применяется повсемесно, в большей степени в геологии.

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.

Спектральный анализ широко используется в различных отраслях промышленности и науки, и служит универсальным инструментом, который позволяет точно и оперативно исследовать элементный состав вещества. Эта информация необходима для правильного ведения технологических процессов, контроля качества исходных материалов, промежуточного и готового продуктов, а также позволяет создавать новые материалы с заданными качествами.

Современные спектральные приборы постоянно совершенствуются в соответствии с возрастающими требованиями к точности и чувствительности. В связи с разработкой и внедрением новых технологий создаются спектрометры, которые обеспечивают необходимую производительности и возможность автоматизации процесса анализа.

Понятие о спектральном анализе

Спектральный анализ - совокупность методов анализа химического состава веществ, в основе которого лежит исследование спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции. При этом используется основное свойство спектров: длина волны или частота - индивидуальный параметр, который соответствует только определенному атому исследуемого вещества, и не зависит от источника возбуждения.

Метод отличается высокой чувствительностью, точностью и простотой, что делает его универсальным, и обуславливает его широкое распространение в промышленности.

Виды спектрального анализа

В основе спектральных методов лежат такие процессы:

Абсорбция. При взаимодействии вещества с электромагнитным излучением происходит его частичное поглощение.
Люминесценция. При возбуждении частиц вещества под воздействием внешнего излучения происходит испускание излучения, имеющего другую частоту.
Эмиссия. При воздействии источника возбуждения вещество переходит в состояние плазмы и испускает излучение.
Рассеяние. Процесс происходит при падении электромагнитного излучение на исследуемый образец.

В зависимости от процесса, который находится в основе принципа действия, спектральные методы анализа подразделяются на следующие виды:

Абсорбционный.
Люминесцентный.
Эмиссионный.
Комбинационный.

Эмиссионный спектральный анализ

Наибольшее распространение получил оптический эмиссионный спектральный атомный анализ (ОЭСА). Этот мощный инструмент позволяет решать различные по сложности аналитические задачи.

Оптико-эмиссионные спектральные приборы обладают высокой избирательностью, позволяют исследовать различные вещества с высокой скоростью, чувствительностью и точностью. При этом расход анализируемого вещества крайне мал.

возможность исследования химического состава образца в любом агрегатном состоянии;
подготовка пробы отличается простотой, а в некоторых случаях не требуется вовсе;
высокая скорость проведения анализа позволяет автоматизировать процесс;
анализ одного образца можно проводить многократно;
высокая точность результатов анализа и избирательность;
простота эксперимента и относительно невысокая стоимость;
возможность проведение исследований, как в полевых, так и лабораторных условиях.

Область применения

Атомный спектральный анализ находит широкое практическое применение по сравнению с другими методами спектрального анализа. Он используется для исследования самых разнообразных объектов, а при анализе металлов и сплавов значение ОЭСА трудно переоценить.

С помощью эмиссионной спектрометрии решаются целый ряд аналитических задач:

Исследование химического состава сплава при ведении плавки металла.
Анализ готовых изделий с целью определения марки, состава, примесей.
Контроль качества на всех стадиях производства.
Контроль качества исходного материала.
Экологический мониторинг состояния окружающей среды.
Изучение химического состава геологических объектов.

Экология

Перед экологами стоят разнообразные задачи, среди которых особое место занимают определение соединений, загрязняющих почву, атмосферу и водный бассейн. Экологический мониторинг необходим для предотвращения угрозы жизни и здоровью людей, и окружающей среде, поэтому точность и скорость получения результатов анализа - наиболее важные требования, предъявляемые к анализаторам.

Эмиссионные спектрометры - универсальные приборы, которые способны исследовать не только металлические, но и токонепроводящие пробы. С их помощью можно исследовать вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях и формах. Диапазон спектральных линий охватывает все интересующие элементы, в том числе C, S, P, O, H и щелочно-земельные элементы.

Геология

Спектральный анализ дает возможность анализировать химический состав руд и минералов. С его помощью изучаются условия их образования, что позволяет целенаправленно проводить геологическую разведку для поиска новых месторождений.

Технология обогащения рудных и нерудных материалов требует тщательного контроля качества на всех стадиях процесса. Использование спектральных приборов делают это возможным, так как обеспечивается необходимая производительность и точность результатов анализа.

Кроме этого, спектральный анализ используется для изучения метеоритного материала. Это дает возможность сделать практические выводы о составе космических объектов.

Металлургия

Значение атомно-эмиссионного анализа в металлургической промышленности очень велико, так как этот метод дает ряд преимуществ. С помощью спектральных приборов решается большинство аналитических задач:

Определение марки стали.
Анализ углерода, серы и фосфора в сплаве.
Анализ неметаллических включений и примесей.
Анализ чистых металлов и сложных сплавов.
Сертификационный анализ.

Эмиссионные приборы широко используются для сортировки и анализа состава металлического лома, который служит сырьем для получения стали. Спектральный анализ незаменим при ведении плавки, так как позволяет оперативно получить информацию о химическом составе сплава. С его помощью решаются, как рутинные задачи, так и сложные проблемы, связанные с получением новых материалов с заданными свойствами.

Машиностроение

Исходными материалами металлообрабатывающих предприятий служат заготовки, полученные путем литья и в результате обработки металлов давлением (поковки и металлопрокат). Организовать входящий контроль без определения химического состава заготовок невозможно, а пренебрежение этим технологическим этапом может стать причиной неисправимого брака и экономическими потерями.

Атомно-эмиссионные спектрометры - оптимальный вариант приборов для машиностроения, которые дают возможность получать точную информацию о химическом составе материала или марке стали в кратчайшие сроки. Портативные модели позволяют проводить исследования в полевых условиях, и не требуют наличия у оператора специальных знаний и особых умений, а стационарные приборы решают аналитические задачи любой сложности.

Возможности оптико-эмиссионных приборов не ограничиваются указанными выше областями промышленности, и позволяют использовать их во многих сферах жизнедеятельности человека. Конструкция и методы исследования постоянно совершенствуются, что позволяет им соответствовать уровню развития науки и технологии, и иметь оптимальные технико-экономические показатели.

Спектр – это разложение света на составляющие – разноцветные лучи. Каждое вещество излучает или отражает собственный спектр, анализируя который, можно точно определить, о каком веществе идет речь, каково его количество.

Содержание статьи

Что такое спектральный анализ
Как получить спектр
Как изучают звезды

История и особенности спектрального анализа

Впервые спектральный анализ попытались сделать Кирхгоф и Бунзен еще в 1859 году. Два физика создали спектроскоп, похожий на трубу неправильной формы. С одной стороны имелось отверстие (коллиматор), в которое попадали исследуемые лучи света. Внутри трубы располагалась призма, она отклоняла лучи и направляла их в сторону другого отверстия трубы. На выходе физики могли видеть свет, разложенный на спектр.

Ученые решили провести эксперимент. Затемнив комнату и завесив окно плотными шторами, они зажгли свечу возле щели коллиматора, а потом брали кусочки разных веществ и вводили их в пламя свечи, наблюдая, изменится ли спектр. И оказалось, что горячие пары каждого вещества давали различные спектры! Так как призма строго разделяла лучи и не давала им наслаиваться друг на друга, то по получившемуся спектру можно было точно идентифицировать вещество.

В дальнейшем Кирхгоф проанализировал спектр Солнца, обнаружив, что в его хромосфере присутствуют определенные химические элементы. Это дало начало астрофизике.

Особенности спектрального анализа

Для проведения спектрального анализа необходимо совсем малое количество вещества. Этот метод крайне чувствителен и очень быстр, что позволяет не только пользоваться им для самых разных нужд, но и делает его порой просто незаменимым. Точно известно, что каждый химический элемент таблицы Менделеева излучает особенный спектр, свойственный только ему одному, поэтому при правильно проведенном спектральном анализе ошибиться практически невозможно.

Типы спектрального анализа

Спектральный анализ бывает атомный и молекулярный. Посредством атомного анализа можно выявить, соответственно, атомный состав вещества, а посредством молекулярного – молекулярный.

Способов измерить спектр существует два: эмиссионный и абсорбционный. Эмиссионный спектральный анализ проводится посредством изучения того, какой спектр излучают выбранные атомы или молекулы. Для этого им нужно придать энергию, то есть, возбудить их. Абсорбционный анализ, напротив, проводится по спектру поглощения электромагнитного изучения, направленного на объекты.

Посредством спектрального анализа можно измерить множество различных характеристик веществ, частиц или даже больших физических тел (например, космических объектов). Именно поэтому спектральный анализ дополнительно делится на различные методы. Чтобы получить требуемый для конкретной задачи результат, нужно правильно выбрать оборудование, длину волн для исследования спектра, а также саму область спектра.

Читайте также: