El análisis espectral es un método para determinar la composición química de una sustancia a partir de su espectro. Este método fue desarrollado en 1859 por los científicos alemanes G.R. Kirchhoff y R.V. Bunsen.
Pero antes de abordar esta cuestión bastante compleja, hablemos primero de qué es el espectro.
Espectro(espectro latino "visión") en física: la distribución de valores de una cantidad física (generalmente energía, frecuencia o masa). Normalmente, el espectro se refiere al espectro electromagnético: el espectro de frecuencias (o lo mismo que las energías cuánticas) de la radiación electromagnética.
El término espectro fue introducido en el uso científico por Newton en 1671-1672 para designar una franja multicolor, similar a un arco iris, que se obtiene cuando un rayo de sol atraviesa un prisma de vidrio triangular. En su obra “Óptica” (1704), publicó los resultados de sus experimentos sobre la descomposición de la luz blanca utilizando un prisma en componentes individuales de diferentes colores y refrangibilidad, es decir, obtuvo los espectros de la radiación solar y explicó su naturaleza. Demostró que el color es una propiedad intrínseca de la luz y no lo introduce un prisma, como argumentó Bacon en el siglo XIII. De hecho, Newton sentó las bases de la espectroscopia óptica: en "Óptica" describió los tres métodos de descomposición de la luz que se utilizan en la actualidad: refracción, interferencia(redistribución de la intensidad de la luz como resultado de la superposición de varias ondas de luz) y difracción(olas que se doblan alrededor de un obstáculo).
Ahora volvamos a la conversación sobre qué es el análisis espectral.
Este es un método que proporciona información valiosa y variada sobre los cuerpos celestes. ¿Cómo se hace esto? Se analiza la luz, y a partir del análisis de la luz es posible determinar la composición química cualitativa y cuantitativa de la luminaria, su temperatura, la presencia e intensidad del campo magnético, la velocidad de movimiento a lo largo de la línea de visión, etc.
El análisis espectral se basa en el concepto de que la luz compleja, al pasar de un medio a otro (por ejemplo, del aire al vidrio), se descompone en sus partes componentes. Si un haz de esta luz se dirige hacia la cara lateral de un prisma triédrico, entonces, al refractarse en el vidrio de diferentes maneras, los rayos que componen la luz blanca producirán una franja de arco iris en la pantalla, llamada espectro. En el espectro, todos los colores siempre se encuentran en un orden determinado. Si ha olvidado este orden, mire la imagen.
Prisma como dispositivo espectral.
En los telescopios se utilizan instrumentos especiales para obtener el espectro. espectrógrafos, instalado detrás del foco de la lente del telescopio. En el pasado, todos los espectrógrafos eran prismáticos, pero ahora utilizan un rejilla de difracción, que también descompone la luz blanca en un espectro, se llama espectro de difracción.
Todo el mundo sabe que la luz viaja en forma de ondas electromagnéticas. Cada color corresponde a una longitud de onda electromagnética específica. La longitud de onda en el espectro disminuye de los rayos rojos a los rayos violetas de aproximadamente 700 a 400 mmk. Detrás de los rayos violetas del espectro se encuentran los rayos ultravioleta, que no son visibles a simple vista, pero que actúan sobre la placa fotográfica.
Los rayos X utilizados en medicina tienen una longitud de onda aún más corta. La atmósfera terrestre bloquea la radiación de rayos X de los cuerpos celestes. Sólo recientemente ha estado disponible para su estudio mediante lanzamientos de cohetes a gran altitud que se elevan por encima de la capa principal de la atmósfera. Las observaciones en rayos X también se realizan mediante instrumentos automáticos instalados en estaciones espaciales interplanetarias.
Detrás de los rayos rojos del espectro se encuentran los rayos infrarrojos. Son invisibles, pero también actúan sobre placas fotográficas especiales. Las observaciones espectrales suelen significar observaciones en el rango que va desde los rayos infrarrojos hasta los rayos ultravioleta.
Para estudiar espectros, instrumentos llamados espectroscopio y espectrógrafo. El espectro se examina en un espectroscopio y se fotografía en un espectrógrafo. La fotografía del espectro se llama. espectrograma.
Tipos de espectros
Espectro en forma de iris (sólido o continuo) dan cuerpos sólidos calientes (carbón, filamento de lámpara eléctrica) y enormes masas de gas a alta presión. Espectro de líneas La radiación es producida por gases y vapores enrarecidos cuando se calientan fuertemente o bajo la influencia de una descarga eléctrica. Cada gas tiene su propio conjunto de líneas brillantes emitidas de colores específicos. Su color corresponde a determinadas longitudes de onda. Siempre están en los mismos lugares del espectro. Los cambios en el estado de un gas o sus condiciones de incandescencia, por ejemplo, calentamiento o ionización, provocan ciertos cambios en el espectro de un gas determinado.
Los científicos han compilado tablas que enumeran las líneas de cada gas e indican el brillo de cada línea. Por ejemplo, en el espectro del sodio, dos líneas amarillas son especialmente brillantes. Se ha establecido que el espectro de un átomo o molécula está asociado a su estructura y refleja ciertos cambios que se producen en ellos durante el proceso de luminosidad.
Un espectro de absorción lineal es producido por gases y vapores cuando detrás de ellos hay una fuente brillante y más caliente que produce un espectro continuo. Espectro de absorción Consiste en un espectro continuo, cortado por líneas oscuras, que se ubican precisamente en los lugares donde deberían ubicarse las líneas brillantes inherentes a un gas determinado. Por ejemplo, en la parte amarilla del espectro se encuentran dos líneas oscuras de absorción de sodio.
Así, el análisis espectral permite determinar la composición química de los vapores que emiten o absorben luz; determinar si están en un laboratorio o en un cuerpo celeste. El número de átomos o moléculas que se encuentran en nuestra línea de visión, emitiendo o absorbiendo, está determinado por la intensidad de las líneas. Cuantos más átomos, más brillante será la línea o más oscura será en el espectro de absorción. El sol y las estrellas están rodeados de atmósferas gaseosas. El espectro continuo de su superficie visible está cortado por líneas oscuras de absorción que aparecen cuando la luz atraviesa la atmósfera de las estrellas. Es por eso Los espectros del Sol y las estrellas son espectros de absorción.
Pero el análisis espectral permite determinar la composición química únicamente de gases autoluminosos o que absorben radiación. La composición química de un cuerpo sólido o líquido no se puede determinar mediante análisis espectral.
Cuando un cuerpo está al rojo vivo, la parte roja de su espectro continuo es más brillante. Con un calentamiento adicional, el brillo más alto del espectro pasa a la parte amarilla, luego a la verde, etc. La teoría de la emisión de luz, probada experimentalmente, muestra que la distribución del brillo a lo largo del espectro continuo depende de la temperatura corporal. Conociendo esta dependencia, es posible determinar la temperatura del Sol y las estrellas. La temperatura de los planetas y de las estrellas también se determina mediante un termoelemento colocado en el foco del telescopio. Cuando se calienta el termoelemento, surge en él una corriente eléctrica que caracteriza la cantidad de calor proveniente de la luminaria.
Ministerio de Educación y Ciencia
República de Kazajstán
Universidad Estatal de Karagandá
lleva el nombre de E.A. Buketova
Facultad de Física
Departamento de Óptica y Espectroscopia
Trabajo de curso
sobre el tema:
Espectros. CON Análisis espectral y su aplicación.
Preparado por:
estudiante del grupo FTRF-22
Akhtariev Dmitry.
Comprobado:
maestro
Kusenova Asia Sabirgalievna
Karagandá - 2003 Plan
Introducción
1. Energía en el espectro
2. Tipos de espectros
3. Análisis espectral y su aplicación
4. Dispositivos espectrales
5. Espectro de radiación electromagnética
Conclusión
Lista de literatura usada
Introducción
El estudio del espectro lineal de una sustancia nos permite determinar en qué elementos químicos se compone y en qué cantidad cada elemento está contenido en una sustancia determinada.
El contenido cuantitativo de un elemento en la muestra en estudio se determina comparando la intensidad de las líneas individuales en el espectro de este elemento con la intensidad de las líneas de otro elemento químico, cuyo contenido cuantitativo se conoce en la muestra.
El método para determinar la composición cualitativa y cuantitativa de una sustancia a partir de su espectro se llama análisis espectral. El análisis espectral se utiliza ampliamente en la exploración minera para determinar la composición química de las muestras de mineral. En la industria, el análisis espectral permite controlar la composición de aleaciones e impurezas introducidas en los metales para obtener materiales con las propiedades deseadas.
Las ventajas del análisis espectral son la alta sensibilidad y la velocidad de obtención de resultados. Mediante el análisis espectral, es posible detectar la presencia de oro en una muestra que pesa 6 * 10 -7 g con una masa de solo 10 -8 g. La determinación de la calidad del acero mediante el método de análisis espectral se puede realizar en unos pocos. decenas de segundos.
El análisis espectral permite determinar la composición química de los cuerpos celestes ubicados a distancias de miles de millones de años luz de la Tierra. La composición química de las atmósferas de los planetas y las estrellas, el gas frío en el espacio interestelar, se determina a partir de espectros de absorción.
Al estudiar los espectros, los científicos pudieron determinar no sólo la composición química de los cuerpos celestes, sino también su temperatura. Mediante el desplazamiento de las líneas espectrales se puede determinar la velocidad de movimiento de un cuerpo celeste.
Energía en el espectro.
La fuente de luz debe consumir energía. La luz son ondas electromagnéticas con una longitud de onda de 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Las ondas electromagnéticas se emiten por el movimiento acelerado de partículas cargadas. Estas partículas cargadas son parte de los átomos. Pero sin saber cómo está estructurado el átomo, no se puede decir nada fiable sobre el mecanismo de radiación. Lo único que está claro es que no hay luz dentro de un átomo, como tampoco hay sonido en las cuerdas de un piano. Como una cuerda que empieza a sonar sólo después de ser golpeada por un martillo, los átomos dan luz a la luz sólo después de ser excitados.
Para que un átomo comience a irradiar, se le debe transferir energía. Al emitir, un átomo pierde la energía que recibe, y para el brillo continuo de una sustancia es necesario un influjo de energía a sus átomos desde el exterior.
Radiación térmica. El tipo de radiación más simple y común es la radiación térmica, en la que la energía perdida por los átomos para emitir luz se compensa con la energía del movimiento térmico de los átomos o (moléculas) del cuerpo emisor. Cuanto mayor es la temperatura corporal, más rápido se mueven los átomos. Cuando los átomos rápidos (moléculas) chocan entre sí, parte de su energía cinética se convierte en energía de excitación de los átomos, que luego emiten luz.
La fuente térmica de radiación es el Sol, así como una lámpara incandescente común. La lámpara es una fuente muy conveniente pero económica. Sólo alrededor del 12% de la energía total liberada por la corriente eléctrica en una lámpara se convierte en energía luminosa. La fuente térmica de luz es una llama. Los granos de hollín se calientan debido a la energía liberada durante la combustión del combustible y emiten luz.
Electroluminiscencia. La energía que necesitan los átomos para emitir luz también puede provenir de fuentes no térmicas. Durante una descarga de gases, el campo eléctrico imparte mayor energía cinética a los electrones. Los electrones rápidos experimentan colisiones con los átomos. Parte de la energía cinética de los electrones se destina a excitar los átomos. Los átomos excitados liberan energía en forma de ondas de luz. Debido a esto, la descarga del gas va acompañada de un resplandor. Esto es electroluminiscencia.
Catodoluminiscencia. El brillo de los sólidos provocado por el bombardeo de electrones se llama catodoluminiscencia. Gracias a la catodoluminiscencia, las pantallas de los tubos de rayos catódicos de los televisores brillan.
Quimioluminiscencia. En algunas reacciones químicas que liberan energía, parte de esta energía se gasta directamente en la emisión de luz. La fuente de luz permanece fría (está a temperatura ambiente). Este fenómeno se llama quimioluminiscencia.
Fotoluminiscencia. La luz que incide sobre una sustancia se refleja parcialmente y se absorbe parcialmente. La energía de la luz absorbida en la mayoría de los casos sólo provoca el calentamiento de los cuerpos. Sin embargo, algunos cuerpos comienzan a brillar directamente bajo la influencia de la radiación que incide sobre ellos. Esto es fotoluminiscencia. La luz excita los átomos de una sustancia (aumenta su energía interna), tras lo cual ellos mismos se iluminan. Por ejemplo, las pinturas luminosas que cubren muchos adornos para árboles de Navidad emiten luz después de ser irradiadas.
La luz emitida durante la fotoluminiscencia suele tener una longitud de onda más larga que la luz que excita el resplandor. Esto se puede observar experimentalmente. Si se dirige un haz de luz pasado a través de un filtro violeta a un recipiente con fluoresceita (un tinte orgánico), este líquido comienza a brillar con una luz verde-amarilla, es decir, una luz de longitud de onda más larga que la luz violeta.
El fenómeno de la fotoluminiscencia se utiliza mucho en las lámparas fluorescentes. El físico soviético S.I. Vavilov propuso cubrir la superficie interna del tubo de descarga con sustancias capaces de brillar intensamente bajo la acción de la radiación de onda corta de una descarga de gas. Las lámparas fluorescentes son aproximadamente de tres a cuatro veces más económicas que las lámparas incandescentes convencionales.
Se enumeran los principales tipos de radiación y las fuentes que las crean. Las fuentes de radiación más comunes son las térmicas.
Distribución de energía en el espectro. Ninguna de las fuentes produce luz monocromática, es decir, luz de una longitud de onda estrictamente definida. De ello estamos convencidos mediante experimentos sobre la descomposición de la luz en un espectro utilizando un prisma, así como experimentos sobre interferencia y difracción.
La energía que la luz transporta desde la fuente se distribuye de cierta forma entre las ondas de todas las longitudes que forman el haz de luz. También podemos decir que la energía se distribuye en frecuencias, ya que existe una relación simple entre longitud de onda y frecuencia: ђv = c.
La densidad de flujo de la radiación electromagnética, o intensidad /, está determinada por la energía &W atribuible a todas las frecuencias. Para caracterizar la distribución de frecuencia de la radiación, es necesario introducir una nueva cantidad: la intensidad por unidad de intervalo de frecuencia. Esta cantidad se llama densidad espectral de intensidad de radiación.
La densidad del flujo de radiación espectral se puede encontrar experimentalmente. Para hacer esto, es necesario utilizar un prisma para obtener el espectro de radiación, por ejemplo, de un arco eléctrico, y medir la densidad del flujo de radiación que cae en pequeños intervalos espectrales de ancho Av.
No puedes confiar en tu ojo para estimar la distribución de energía. El ojo tiene una sensibilidad selectiva a la luz: su máxima sensibilidad se encuentra en la región amarillo-verde del espectro. Lo mejor es aprovechar la propiedad de un cuerpo negro de absorber casi por completo la luz de todas las longitudes de onda. En este caso, la energía de radiación (es decir, la luz) provoca el calentamiento del cuerpo. Por tanto, basta con medir la temperatura corporal y utilizarla para juzgar la cantidad de energía absorbida por unidad de tiempo.
Un termómetro ordinario es demasiado insensible para ser utilizado con éxito en tales experimentos. Se necesitan instrumentos más sensibles para medir la temperatura. Puede tomar un termómetro eléctrico, cuyo elemento sensible tiene la forma de una placa de metal delgada. Esta placa debe estar recubierta con una fina capa de hollín, que absorbe casi por completo la luz de cualquier longitud de onda.
La placa termosensible del dispositivo debe colocarse en un lugar particular del espectro. Todo el espectro visible de longitud l, desde los rayos rojos hasta los violetas, corresponde al intervalo de frecuencia de v cr a y f. El ancho corresponde a un pequeño intervalo Av. Calentando la placa negra del dispositivo, se puede juzgar la densidad del flujo de radiación por intervalo de frecuencia Av. Moviendo la placa a lo largo del espectro, encontraremos que la mayor parte de la energía se encuentra en la parte roja del espectro, y no en la amarilla-verde, como parece a simple vista.
Con base en los resultados de estos experimentos, es posible construir una curva de dependencia de la densidad espectral de la intensidad de la radiación con la frecuencia. La densidad espectral de la intensidad de la radiación está determinada por la temperatura de la placa, y la frecuencia no es difícil de encontrar si el dispositivo utilizado para descomponer la luz está calibrado, es decir, si se sabe a qué frecuencia corresponde una determinada parte del espectro. a.
Trazando a lo largo del eje de abscisas los valores de las frecuencias correspondientes a los puntos medios de los intervalos Av, y a lo largo del eje de ordenadas la densidad espectral de la intensidad de la radiación, obtenemos una serie de puntos a través de los cuales podemos trazar una curva suave. Esta curva da una representación visual de la distribución de energía y la parte visible del espectro del arco eléctrico.
El análisis espectral es un conjunto de métodos para la determinación cualitativa y cuantitativa de la composición de un objeto, basado en el estudio de los espectros de interacción de la materia con la radiación, incluidos los espectros de radiación electromagnética, ondas acústicas, distribuciones de masa y energía de partículas elementales. , etc.
Dependiendo de los objetivos del análisis y los tipos de espectros, se distinguen varios métodos de análisis espectral:
El análisis espectral de emisión es un método físico basado en el estudio de los espectros de emisión de los vapores de la sustancia analizada (espectros de emisión o radiación) que surgen bajo la influencia de fuertes fuentes de excitación (arco eléctrico, chispas de alto voltaje); Este método permite determinar la composición elemental de una sustancia, es decir, juzgar qué elementos químicos están incluidos en la composición de una sustancia determinada.
La espectrofotometría de llama, o fotometría de llama, que es un tipo de análisis espectral de emisión, se basa en el estudio de los espectros de emisión de los elementos de la sustancia analizada, que surgen bajo la influencia de fuentes de excitación suaves. En este método, la solución a analizar se pulveriza sobre una llama. Este método permite juzgar el contenido de metales principalmente alcalinos y alcalinotérreos en la muestra analizada, así como algunos otros elementos, por ejemplo galio, indio, talio, plomo, manganeso, cobre y fósforo.
Nota. Además de la fotometría de emisión de llama, también se utiliza la fotometría de absorción, también llamada espectroscopia de absorción atómica o espectrofotometría de absorción atómica.
La espectroscopia de absorción se basa en el estudio de los espectros de absorción de una sustancia, que es su característica individual. Existe un método espectrofotométrico basado en la determinación del espectro de absorción o la medición de la absorción de luz (tanto en las regiones ultravioleta como visible e infrarroja del espectro) en una longitud de onda estrictamente definida (radiación monocromática), que corresponde al máximo de la curva de absorción. de una determinada sustancia en estudio, así como un método fotocolorimétrico, basado en la determinación del espectro de absorción o la medición de la absorción de luz en la parte visible del espectro.
A diferencia de la espectrofotometría, el método fotocolorimétrico utiliza luz “blanca” o luz “blanca” que previamente pasa a través de filtros de banda ancha.
Método de análisis mediante espectros Raman.
El método utiliza un fenómeno descubierto simultáneamente por los físicos soviéticos G. S. Landsberg y L. I. Mandelstam y el físico indio C. V. Raman. Este fenómeno está asociado con la absorción de radiación monocromática por una sustancia y la posterior emisión de nueva radiación que difiere en longitud de onda de la absorbida.
La turbidimetría se basa en medir la intensidad de la luz absorbida por una suspensión incolora de un sólido. En la turbidimetría, la intensidad de la luz absorbida o transmitida a través de una solución se mide de la misma manera que en la fotocolorimetría de soluciones coloreadas.
La nefelometría se basa en medir la intensidad de la luz reflejada o dispersada por una suspensión coloreada o incolora de materia sólida (sedimento suspendido en un medio determinado).
El método de análisis luminiscente o fluorescente se basa en medir la intensidad de la luz visible (fluorescencia) emitida por sustancias cuando se irradian con rayos ultravioleta.
Las líneas oscuras en las franjas espectrales se han observado desde hace mucho tiempo, pero el primer estudio serio de estas líneas no fue realizado hasta 1814 por Joseph Fraunhofer. En su honor, el efecto se denominó “líneas Fraunhofer”. Fraunhofer estableció la estabilidad de las posiciones de las líneas, compiló una tabla de ellas (contó 574 líneas en total) y asignó un código alfanumérico a cada una. No menos importante fue su conclusión de que las líneas no están asociadas ni con el material óptico ni con la atmósfera terrestre, sino que son una característica natural de la luz solar. Descubrió líneas similares en fuentes de luz artificiales, así como en los espectros de Venus y Sirio.
Pronto quedó claro que una de las líneas más claras siempre aparecía en presencia de sodio. En 1859, G. Kirchhoff y R. Bunsen, después de una serie de experimentos, concluyeron: cada elemento químico tiene su propio espectro lineal único, y del espectro de los cuerpos celestes se pueden sacar conclusiones sobre la composición de su sustancia. A partir de este momento apareció en la ciencia el análisis espectral, un poderoso método para la determinación remota de la composición química.
Para probar el método, en 1868 la Academia de Ciencias de París organizó una expedición a la India, donde se avecinaba un eclipse solar total. Allí, los científicos descubrieron: todas las líneas oscuras en el momento del eclipse, cuando el espectro de emisión reemplazó al espectro de absorción de la corona solar, se volvieron, como se predijo, brillantes sobre un fondo oscuro.
Poco a poco se fue aclarando la naturaleza de cada una de las líneas y su conexión con los elementos químicos. En 1860, Kirchhoff y Bunsen descubrieron el cesio mediante análisis espectral y, en 1861, el rubidio. Y el helio fue descubierto en el Sol 27 años antes que en la Tierra (1868 y 1895, respectivamente).
Principio de funcionamiento
Los átomos de cada elemento químico tienen frecuencias de resonancia estrictamente definidas, por lo que es a estas frecuencias que emiten o absorben luz. Esto lleva al hecho de que en un espectroscopio, las líneas (claras o oscuras) son visibles en los espectros en ciertos lugares característicos de cada sustancia. La intensidad de las líneas depende de la cantidad de sustancia y de su estado. En el análisis espectral cuantitativo, el contenido de la sustancia en estudio está determinado por las intensidades relativas o absolutas de las líneas o bandas del espectro.
El análisis espectral óptico se caracteriza por una relativa facilidad de implementación, la ausencia de una preparación compleja de la muestra para el análisis y una pequeña cantidad de sustancia (10-30 mg) necesaria para el análisis de una gran cantidad de elementos.
Los espectros atómicos (absorción o emisión) se obtienen transfiriendo la sustancia a un estado de vapor calentando la muestra a 1000-10000 °C. Una chispa o un arco de corriente alterna se utilizan como fuentes de excitación de átomos en el análisis de emisiones de materiales conductores; en este caso, la muestra se coloca en el cráter de uno de los electrodos de carbono. Para analizar soluciones se utilizan ampliamente llamas o plasmas de diversos gases.
Solicitud
Recientemente, los más extendidos son los métodos de análisis espectral espectrométricos de emisión y de masas, basados en la excitación de átomos y su ionización en plasma de argón de descargas de inducción, así como en una chispa láser.
El análisis espectral es un método sensible y se utiliza ampliamente en química analítica, astrofísica, metalurgia, ingeniería mecánica, exploración geológica y otras ramas de la ciencia.
En la teoría del procesamiento de señales, el análisis espectral también significa analizar la distribución de energía de una señal (por ejemplo, audio) en frecuencias, números de onda, etc.
Espectros de emisión. La composición espectral de la radiación de diferentes sustancias tiene un carácter muy diverso. Sin embargo, todos los espectros se dividen en tres tipos: a) espectro continuo; b) espectro de líneas; c) espectro rayado.
A) Espectro continuo. Los cuerpos sólidos y líquidos y los gases calentados (a alta presión) emiten luz, cuya descomposición da un espectro continuo en el que los colores espectrales se transforman continuamente unos en otros. La naturaleza del espectro continuo y el hecho mismo de su existencia están determinados no solo por las propiedades de los átomos emisores individuales, sino también por la interacción de los átomos entre sí. Los espectros continuos son los mismos para diferentes sustancias y, por lo tanto, no pueden usarse para determinar la composición de una sustancia.
b) Espectro lineal (atómico). Los átomos excitados de gases o vapores enrarecidos emiten luz, cuya descomposición da un espectro de líneas que consta de líneas de colores individuales. Cada elemento químico tiene un espectro de líneas característico. Los átomos de tales sustancias no interactúan entre sí y emiten luz solo en determinadas longitudes de onda. Los átomos aislados de un elemento químico determinado emiten longitudes de onda estrictamente definidas. Esto nos permite juzgar la composición química de la fuente de luz a partir de las líneas espectrales.
V) Espectro molecular (en bandas) El espectro de una molécula consta de una gran cantidad de líneas individuales que se fusionan en franjas, claras en un extremo y borrosas en el otro. A diferencia de los espectros lineales, los espectros rayados no son creados por átomos, sino por moléculas que no están unidas o están débilmente unidas entre sí. Series de líneas muy cercanas se agrupan en partes separadas del espectro y ocupan bandas enteras. En 1860, los científicos alemanes G. Kirchhoff y R. Bunsen, al estudiar los espectros de los metales, establecieron los siguientes hechos:
1) cada metal tiene su propio espectro;
2) el espectro de cada metal es estrictamente constante;
3) la introducción de cualquier sal del mismo metal en la llama del quemador conduce siempre a la aparición del mismo espectro;
4) cuando se introduce en la llama una mezcla de sales de varios metales, todas sus líneas aparecen simultáneamente en el espectro;
5) el brillo de las líneas espectrales depende de la concentración del elemento en una sustancia determinada.
Espectros de absorción. Si la luz blanca de una fuente que produce un espectro continuo pasa a través del vapor de la sustancia en estudio y luego se descompone en un espectro, entonces, en el contexto del espectro continuo, se observan líneas de absorción oscuras en los mismos lugares donde se encuentran las líneas de emisión. Se localizaría el espectro del vapor del elemento en estudio. Estos espectros se denominan espectros de absorción atómica.
Todas las sustancias cuyos átomos se encuentran en estado excitado emiten ondas de luz, cuya energía se distribuye de cierta manera en longitudes de onda. La absorción de luz por una sustancia también depende de la longitud de onda. Los átomos absorben radiación sólo en aquellas longitudes de onda que pueden emitir a una temperatura determinada.
Análisis espectral. El fenómeno de la dispersión se utiliza en ciencia y tecnología como un método para determinar la composición de una sustancia, llamado análisis espectral. Este método se basa en el estudio de la luz emitida o absorbida por una sustancia. Análisis espectral es un método para estudiar la composición química de una sustancia basado en el estudio de sus espectros.
Dispositivos espectrales. Los aparatos espectrales se utilizan para obtener y estudiar espectros. Los dispositivos espectrales más simples son un prisma y una rejilla de difracción. Los más precisos son un espectroscopio y un espectrógrafo.
Espectroscopio es un dispositivo que se utiliza para examinar visualmente la composición espectral de la luz emitida por una determinada fuente. Si el espectro se registra en una placa fotográfica, entonces el dispositivo se llama espectrógrafo.
Aplicación del análisis espectral.. Los espectros lineales desempeñan un papel particularmente importante porque su estructura está directamente relacionada con la estructura del átomo. Después de todo, estos espectros son creados por átomos que no experimentan influencias externas. La composición de mezclas complejas, principalmente orgánicas, se analiza mediante sus espectros moleculares.
Mediante el análisis espectral, es posible detectar un elemento determinado en la composición de una sustancia compleja, incluso si su masa no supera los 10 -10 g. Las líneas inherentes a un elemento determinado permiten juzgar cualitativamente su presencia. El brillo de las líneas permite (sujeto a condiciones de excitación estándar) juzgar cuantitativamente la presencia de un elemento en particular.
El análisis espectral también se puede realizar mediante espectros de absorción. En astrofísica, los espectros se pueden utilizar para determinar muchas características físicas de los objetos: temperatura, presión, velocidad de movimiento, inducción magnética, etc. Mediante el análisis espectral, se determina la composición química de menas y minerales.
Las principales áreas de aplicación del análisis espectral son: investigación física y química; ingeniería mecánica, metalurgia; industria nuclear; astronomía, astrofísica; forense.
Las tecnologías modernas para la creación de los últimos materiales de construcción (metal-plástico, plástico) están directamente interconectadas con ciencias fundamentales como la química y la física. Estas ciencias utilizan métodos modernos para estudiar sustancias. Por tanto, el análisis espectral se puede utilizar para determinar la composición química de los materiales de construcción a partir de sus espectros.
Aplicación del análisis espectral.
El método que proporciona información valiosa y más diversa sobre los cuerpos celestes es el análisis espectral. Le permite determinar a partir del análisis de la luz la composición química cualitativa y cuantitativa de la estrella, su temperatura, la presencia e intensidad del campo magnético, la velocidad de movimiento a lo largo de la línea de visión y mucho más.
El análisis espectral se basa en la descomposición de la luz blanca en sus componentes. Si se dirige un haz de luz hacia la cara lateral de un prisma triédrico, entonces, al refractarse en el vidrio de diferentes maneras, los rayos que componen la luz blanca producirán una franja de arco iris en la pantalla, llamada espectro. En el espectro, todos los colores siempre se encuentran en un orden determinado.
Como sabes, la luz viaja en forma de ondas electromagnéticas. Cada color corresponde a una longitud de onda electromagnética específica. La longitud de onda en el espectro disminuye desde los rayos rojos hasta los rayos violetas de aproximadamente 0,7 a 0,4 µm. Detrás de los rayos violetas del espectro se encuentran los rayos ultravioleta, invisibles al ojo, pero que actúan sobre la placa fotográfica. Los rayos X tienen una longitud de onda aún más corta. La radiación de rayos X de los cuerpos celestes, importante para comprender su naturaleza, es bloqueada por la atmósfera terrestre.
Más allá de los rayos rojos del espectro se encuentra la región de los rayos infrarrojos. Son invisibles, pero también actúan sobre placas fotográficas especiales. Las observaciones espectrales suelen referirse a observaciones en el rango que va desde los rayos infrarrojos hasta los rayos ultravioleta.
Para estudiar los espectros se utilizan instrumentos llamados espectroscopio y espectrógrafo. El espectro se examina con un espectroscopio y se fotografía con un espectrógrafo. Una fotografía de un espectro se llama espectrograma.
Existen los siguientes tipos de espectros:
Un espectro continuo o continuo en forma de franja de arco iris es producido por cuerpos calientes sólidos y líquidos (carbón, filamento de lámpara eléctrica) y masas de gas bastante densas.
Un espectro lineal de radiación es producido por gases y vapores enrarecidos cuando se calientan fuertemente o bajo la influencia de una descarga electromagnética. Cada gas emite un conjunto estrictamente definido de longitudes de onda y produce un espectro lineal característico de un elemento químico determinado. Los cambios fuertes en el estado de un gas o sus condiciones de incandescencia, como el calentamiento o la ionización, provocan ciertos cambios en el espectro de un gas determinado.
Se han elaborado tablas con una lista de líneas de cada gas e indicando el brillo de cada línea. Por ejemplo, en el espectro del sodio, dos líneas amarillas son especialmente brillantes.
Se ha establecido que el espectro de un átomo o molécula está asociado a su estructura y refleja ciertos cambios que se producen en ellos durante el proceso de luminosidad.
Los gases y vapores producen un espectro de absorción lineal cuando detrás de ellos hay una fuente más brillante y caliente que da un espectro continuo. El espectro de absorción es un espectro continuo, cortado por líneas oscuras, que se ubican precisamente en los lugares donde deberían ubicarse las líneas brillantes inherentes a un gas determinado.
Los espectros de emisión permiten analizar la composición química de los gases que emiten o absorben luz, independientemente de si se encuentran en un laboratorio o en un cuerpo celeste. El número de átomos o moléculas que se encuentran en nuestra línea de visión, emitiendo o absorbiendo, está determinado por la intensidad de las líneas. Cuantos más átomos, más brillante será la línea o más oscura será en el espectro de absorción. El Sol y las estrellas están rodeados por líneas de absorción atmosférica gaseosa que se crean cuando la luz atraviesa la atmósfera de las estrellas. Por tanto, los espectros del Sol y las estrellas son espectros de absorción.
Debe recordarse que el análisis espectral permite determinar la composición química únicamente de gases autoluminosos o que absorben radiación. La composición química de un sólido no se puede determinar mediante análisis espectral.
