¿Cómo se realiza el análisis espectral? enciclopedia escolar

Ministerio de Educación y Ciencia
República de Kazajstán

Karagandá Universidad Estatal
lleva el nombre de E.A. Buketova

Facultad de Física

Departamento de Óptica y Espectroscopia

Trabajo del curso

sobre el tema de:

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.

Método para determinar la calidad y composición cuantitativa El análisis de una sustancia por su espectro se llama análisis espectral. El análisis espectral se utiliza ampliamente en la exploración minera para determinar composición química 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 propiedades específicas.

Ventajas análisis espectral son una alta sensibilidad y rapidez en la 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 le permite determinar la composición química. cuerpos celestiales, distante de la Tierra a distancias de miles de millones de años luz. 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. Por compensación líneas espectrales puedes 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. Ondas electromagnéticas Emitido 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 termal. El tipo de radiación más simple y común es Radiación termal, en el que la energía perdida por los átomos para emitir luz se compensa con la energía del movimiento térmico de los átomos o (moléculas) cuerpo radiante. Cuanto mayor es la temperatura corporal, más rápido se mueven los átomos. Cuando los átomos rápidos (moléculas) chocan entre sí, parte de ellos 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 en la lámpara. descarga eléctrica, 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. Brillo sólidos, provocada por el bombardeo de sus electrones, se llama catodoluminiscencia. Gracias a la catodoluminiscencia, las pantallas de los tubos de rayos catódicos de los televisores brillan.

Quimioluminiscencia. Para algunos reacciones químicas, junto con la liberación de energía, parte de esta energía se gasta directamente en la emisión de luz. La fuente de luz permanece fría (tiene una 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 materia (aumenta su energía interna), después de lo cual se resaltan ellos mismos. 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. físico soviético S.I. Vavilov sugirió cubrir superficie interior tubo de descarga con sustancias capaces de brillar intensamente bajo la influencia de radiación de onda corta 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 da 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 diferencia entre longitud de onda y frecuencia. conexión sencilla: ђv = c.

Densidad de flujo 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 la intensidad de la radiación.

La densidad del flujo de radiación espectral se puede encontrar experimentalmente. Para hacer esto, necesita usar un prisma para obtener el espectro de emisión, por ejemplo, arco eléctrico y mida 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 común y corriente es demasiado sensible para poder utilizarlo con éxito en tales experimentos. Se necesitan instrumentos más sensibles para medir la temperatura. Puedes llevar un termómetro eléctrico en el que elemento sensor hecho en forma de una delgada placa de metal. Esta placa debe estar cubierta capa delgada 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, encontramos que La mayoría de la energía cae en la parte roja del espectro, y no en la amarilla verdosa, 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.

Trazar a lo largo del eje de abscisas los valores de frecuencias correspondientes a los puntos medios de los intervalos Av, y a lo largo del eje de ordenadas densidad espectral intensidad de la radiación, obtenemos una serie de puntos a través de los cuales podemos dibujar 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 uno de los más importantes. metodos fisicos investigación de sustancias. Diseñado para determinar la composición cualitativa y cuantitativa de una sustancia en función de su espectro.

Los químicos saben desde hace mucho tiempo que los compuestos de ciertos elementos químicos, si se añaden a una llama, le dan colores característicos. Así, las sales de sodio hacen que la llama sea amarilla y los compuestos de boro la hacen verde. El color de una sustancia se produce cuando emite ondas de cierta longitud o las absorbe de todo el espectro de la luz que incide sobre ella. luz blanca. En el segundo caso, el color. visible al ojo, resulta no corresponder a estas ondas absorbidas, sino a otras, adicionales, que dan luz blanca cuando se les agrega.

Estos patrones, establecidos a principios del siglo pasado, se generalizaron en 1859-1861. Los científicos alemanes G. Kirchhoff y R. Bunsen, quienes demostraron que cada elemento químico tiene su propio espectro característico. Esto hizo posible crear un tipo de análisis elemental: el análisis espectral atómico, con el que es posible determinar cuantitativamente el contenido. varios elementos en una muestra de una sustancia descompuesta en átomos o iones en una llama o arco eléctrico. Incluso antes de la creación de una versión cuantitativa de este método, se utilizó con éxito para el "análisis elemental" de los cuerpos celestes. El análisis espectral ya en el siglo pasado ayudó a estudiar la composición del Sol y otras estrellas, así como a descubrir algunos elementos, en particular el helio.

Con la ayuda del análisis espectral, fue posible distinguir no solo diferentes elementos químicos, pero también isótopos de un mismo elemento, que suelen dar espectros diferentes. El método se utiliza para analizar la composición isotópica de sustancias y se basa en diferentes cambios en los niveles de energía de moléculas con diferentes isótopos.

Los rayos X, que llevan el nombre del físico alemán W. Roentgen, que los descubrió en 1895, son una de las partes de longitud de onda más corta del espectro completo de ondas electromagnéticas, ubicadas en él entre luz ultravioleta y radiación gamma. Cuando los átomos absorben los rayos X, se excitan los electrones profundos ubicados cerca del núcleo y unidos a él con especial fuerza. La emisión de rayos X por los átomos, por el contrario, está asociada con transiciones de electrones profundos desde niveles de energía excitados a niveles de energía ordinarios y estacionarios.

Ambos niveles sólo pueden tener energías estrictamente definidas, dependiendo de la carga del núcleo atómico. Esto significa que la diferencia entre estas energías, igual a la energía El cuanto absorbido (o emitido) también depende de la carga del núcleo, y la emisión de cada elemento químico en la región de rayos X del espectro es característica de de este elemento un conjunto de ondas con frecuencias de oscilación estrictamente definidas.

El análisis espectral de rayos X, un tipo de análisis elemental, se basa en el uso de este fenómeno. Es ampliamente utilizado para el análisis de menas, minerales, así como complejos inorgánicos y elementales. compuestos orgánicos.

Existen otros tipos de espectroscopia que no se basan en la radiación, sino en la absorción de ondas de luz por la materia. Los llamados espectros moleculares se observan, por regla general, cuando soluciones de sustancias absorben luz visible, ultravioleta o luz infrarroja; En este caso, no se produce ninguna descomposición de moléculas. Si la luz visible o ultravioleta suele actuar sobre los electrones, provocando que se eleven a nuevos niveles excitados. niveles de energía(ver Átomo), luego los rayos infrarrojos (térmicos), que transportan menos energía, excitan solo vibraciones de átomos interconectados. Por tanto, la información que estos tipos de espectroscopia proporcionan a los químicos es diferente. Si a partir del espectro infrarrojo (vibracional) se aprende sobre la presencia de ciertos grupos de átomos en una sustancia, entonces los espectros en la región ultravioleta (y para las sustancias coloreadas, en la visible) transmiten información sobre la estructura del grupo absorbente de luz como entero.

Entre los compuestos orgánicos, la base de tales grupos suele ser un sistema de enlaces insaturados (ver Hidrocarburos insaturados). Cuantos más enlaces dobles o triples haya en una molécula, alternándose con los simples (en otras palabras, que cadena más larga conjugación), más fácilmente se excitan los electrones.

Los métodos de espectroscopia molecular se utilizan no solo para determinar la estructura de las moléculas, sino también para medir con precisión la cantidad. sustancia conocida en solución. Para ello son especialmente convenientes los espectros en la región ultravioleta o visible. Las bandas de absorción en esta región suelen observarse a una concentración de soluto del orden de centésimas e incluso milésimas de porcentaje. Un caso especial de esta aplicación de la espectroscopia es el método de colorimetría, que se utiliza ampliamente para medir la concentración de compuestos coloreados.

Los átomos de algunas sustancias también son capaces de absorber ondas de radio. Esta capacidad se manifiesta cuando una sustancia se coloca en el campo de un potente imán permanente. Muchos núcleos atómicos tienen sus propios momento magnético- espín, y en un campo magnético los núcleos con orientación de espín desigual resultan ser energéticamente "desiguales". Aquellos cuya dirección de giro coincide con la dirección del campo magnético aplicado se encuentran en una posición más favorable, y otras orientaciones comienzan a desempeñar el papel de "estados excitados" en relación con ellos. Esto no significa que un núcleo en un estado de espín favorable no pueda pasar a un estado "excitado"; la diferencia en las energías de los estados de espín es muy pequeña, pero aún así el porcentaje de núcleos en un estado energético desfavorable es relativamente pequeño. Y cuanto más potente es el campo aplicado, más pequeño es. Los núcleos parecen oscilar entre dos estados de energía. Y dado que la frecuencia de tales oscilaciones corresponde a la frecuencia de las ondas de radio, la resonancia también es posible: la absorción de energía alterna. campo electromagnetico con la frecuencia correspondiente, lo que conduce a un fuerte aumento en el número de núcleos en estado excitado.

Ésta es la base del trabajo de los espectrómetros nucleares. resonancia magnetica(RMN), capaz de detectar la presencia de dichas sustancias núcleos atómicos, cuyo espín es 1/2: hidrógeno 1H, litio 7Li, flúor 19F, fósforo 31P, así como isótopos de carbono 13C, nitrógeno 15N, oxígeno 17O, etc.

La sensibilidad de estos dispositivos es mayor cuanto más potentes son. imán permanente. La frecuencia de resonancia necesaria para excitar los núcleos también aumenta en proporción a la intensidad del campo magnético. Sirve como medida de la clase del dispositivo. Los espectrómetros de clase media funcionan a una frecuencia de 60 a 90 MHz (al registrar espectros de protones); los más fríos, a una frecuencia de 180, 360 e incluso 600 MHz.

Los espectrómetros de alta gama, instrumentos muy precisos y complejos, permiten no sólo detectar y medir cuantitativamente el contenido de un elemento en particular, sino también distinguir las señales de los átomos que ocupan posiciones químicamente "desiguales" en la molécula. Y al estudiar la llamada interacción espín-espín, que conduce a la división de señales en grupos de líneas estrechas bajo la influencia del campo magnético de los núcleos vecinos, se pueden aprender muchas cosas interesantes sobre los átomos que rodean el núcleo bajo estudiar. La espectroscopia de RMN permite obtener del 70 al 100% de la información necesaria, por ejemplo, para establecer la estructura de un compuesto orgánico complejo.

Otro tipo de radioespectroscopia, la resonancia paramagnética electrónica (EPR), se basa en el hecho de que no sólo los núcleos, sino también los electrones tienen un espín de 1/2. espectroscopía EPR - La mejor manera estudios de partículas con no apareados electrones - libres radicales. Al igual que los espectros de RMN, los espectros de EPR permiten aprender mucho no sólo sobre la propia partícula "señalizadora", sino también sobre la naturaleza de los átomos que la rodean. Los instrumentos de espectroscopia EPR son muy sensibles: una solución que contiene unas pocas centenas de millonésimas de mol suele ser suficiente para registrar un espectro. radicales libres por 1 litro. Y un dispositivo con una sensibilidad récord, creado recientemente por un grupo de científicos soviéticos, es capaz de detectar la presencia de sólo 100 radicales en una muestra, lo que corresponde a su concentración de aproximadamente 10 -18 mol/l.

Uno de los principales métodos para analizar la composición química de una sustancia es el análisis espectral. Se realiza un análisis de su composición a partir del estudio de su espectro. Análisis espectral: utilizado en varios estudios. Con su ayuda se descubrió un complejo de elementos químicos: He, Ga, Cs. en la atmósfera del Sol. Además de Rb, In y XI, se determina la composición del Sol y de la mayoría de los demás cuerpos celestes.

Aplicaciones

Experiencia espectral, común en:

Metalurgia;
Geología;
Química;
Mineralogía;
Astrofísica;
Biología;
medicina, etc

Le permite encontrar en objetos estudiados. las cantidades más pequeñas de la sustancia que se está determinando (hasta 10 - MS) El análisis espectral se divide en cualitativo y cuantitativo.

Métodos

El método para establecer la composición química de una sustancia basándose en el espectro es la base del análisis espectral. Los espectros de líneas tienen personalidad unica, al igual que las huellas dactilares humanas o el patrón de los copos de nieve. La singularidad de los patrones en la piel de un dedo es una gran ventaja a la hora de buscar a un criminal. Por tanto, gracias a las peculiaridades de cada espectro, es posible establecer contenido químico cuerpo analizando la composición química de la sustancia. Incluso si la masa del elemento no supera los 10 - 10 g, mediante análisis espectral se puede detectar en la composición. sustancia compleja. Este es un método bastante sensible.

Análisis espectral de emisión

El análisis espectral de emisión es una serie de métodos para determinar la composición química de una sustancia a partir de su espectro de emisión. La base del método para establecer la composición química de una sustancia (examen espectral) se basa en los patrones en los espectros de emisión y absorción. Este método le permite identificar millonésimas de miligramo de una sustancia.

Existen métodos de examen cualitativo y cuantitativo, de acuerdo con el establecimiento. Química analítica como una materia cuyo propósito es formular métodos para establecer la composición química de una sustancia. Los métodos para identificar una sustancia se vuelven extremadamente importantes dentro del análisis orgánico cualitativo.

Con base en el espectro lineal de vapores de cualquier sustancia, es posible determinar qué elementos químicos están contenidos en su composición, porque cualquier elemento químico tiene su propio espectro de emisión específico. Este método para establecer la composición química de una sustancia se llama análisis espectral cualitativo.

Análisis espectral de rayos X.

Existe otro método para determinar sustancia química, llamado análisis espectral de rayos X. El análisis espectral de rayos X se basa en la activación de los átomos de una sustancia cuando ésta es irradiada con rayos X, proceso llamado secundario o fluorescente. La activación también es posible cuando se irradia con electrones de alta energía; en este caso, el proceso se denomina excitación directa. Como resultado del movimiento de electrones en niveles internos más profundos. capas electronicas aparecen lineas radiación de rayos x.

La fórmula de Wulff-Bragg le permite establecer las longitudes de onda en la composición de la radiación de rayos X cuando se utiliza un cristal de estructura popular con distancia conocida d. Esta es la base del método de determinación. La sustancia en estudio se bombardea con electrones de alta velocidad. Colóquelo, por ejemplo, en el ánodo de un plegable. Tubo de rayos-x, provocando posteriormente que exudara características Rayos X que caen sobre el cristal estructura conocida. Se miden los ángulos y se calculan las longitudes de onda correspondientes utilizando la fórmula, después de fotografiar el patrón de difracción resultante.

Técnicas

Actualmente todos los métodos análisis químico se basan en dos técnicas. Ya sea en la prueba física, o en la prueba química, comparando la concentración establecida con su unidad de medida:

Físico

La técnica física se basa en el método de correlacionar una unidad de cantidad de un componente con un estándar midiendolo. propiedades físicas, que depende de su contenido en la muestra de sustancia. La relación funcional “Saturación de propiedades – contenido de componentes en la muestra” se determina mediante prueba calibrando los medios para medir una propiedad física determinada de acuerdo con el componente que se está instalando. Del gráfico de calibración se obtienen relaciones cuantitativas, construidas en las coordenadas: “saturación de una propiedad física - concentración del componente instalado”.

Químico

Se utiliza una técnica química en el método de correlacionar una unidad de cantidad de un componente con un estándar. Aquí se utilizan las leyes de conservación de la cantidad o masa de un componente durante las interacciones químicas. En propiedades químicas compuestos químicos, basado interacciones químicas. En una muestra de una sustancia se lleva a cabo una reacción química que cumple con los requisitos especificados para determinar el componente deseado y se mide el volumen o masa involucrado en la reacción química específica de los componentes. Se obtienen relaciones cuantitativas, luego se anota el número de equivalentes de un componente para una determinada reacción química o la ley de conservación de la masa.

Dispositivos

Instrumentos de análisis composición física y química sustancias son:

analizadores de gases;
Alarmas de concentraciones máximas permisibles y explosivas de vapores y gases;
Concentradores para soluciones líquidas;
Medidores de densidad;
Medidores de sal;
Medidores de humedad y otros dispositivos similares en finalidad e integridad.

Con el tiempo, la gama de objetos analizados aumenta y la velocidad y precisión del análisis aumentan. Uno de los métodos instrumentales más importantes para establecer la composición química atómica de una sustancia es el análisis espectral.

Cada año aparecen más y más complejos de instrumentos para el análisis espectral cuantitativo. También producen los tipos más avanzados de equipos y métodos para el registro del espectro. Los laboratorios espectrales se organizan inicialmente en la ingeniería mecánica, la metalurgia y luego en otras áreas de la industria. Con el tiempo, la velocidad y precisión del análisis aumentan. Además, el área de objetos analizados se está ampliando. Uno de los principales métodos instrumentales para determinar la composición química atómica de una sustancia es el análisis espectral.

Introducción……………………………………………………………………………….2

Mecanismo de radiación………………………………………………………………………………..3

Distribución de energía en el espectro…………………………………………………….4

Tipos de espectros………………………………………………………………………………………….6

Tipos de análisis espectrales……………………………………………………7

Conclusión………………………………………………………………………………..9

Literatura……………………………………………………………………………….11

Introducción

El espectro es la descomposición de la luz en sus partes componentes, rayos de diferentes colores.

Método para estudiar la composición química. varias sustancias según sus espectros lineales de emisión o absorción se denominan análisis espectral. Para el análisis espectral se requiere una cantidad insignificante de sustancia. Su velocidad y sensibilidad han hecho que este método sea indispensable tanto en laboratorios como en astrofísica. Dado que cada elemento químico de la tabla periódica emite una característica solo para él. espectro de líneas emisión y absorción, esto permite estudiar la composición química de una sustancia. Los físicos Kirchhoff y Bunsen intentaron hacerlo por primera vez en 1859, construyendo espectroscopio. La luz pasaba a través de una estrecha hendidura cortada en un borde del telescopio (este tubo con una hendidura se llama colimador). Desde el colimador, los rayos caían sobre un prisma cubierto por una caja forrada con papel negro por dentro. El prisma desvió los rayos que provenían de la rendija. El resultado fue un espectro. Después de esto, cubrieron la ventana con una cortina y colocaron un quemador encendido en la ranura del colimador. Se introdujeron alternativamente trozos de diversas sustancias en la llama de la vela y se observó el espectro resultante a través de un segundo telescopio. Resultó que los vapores incandescentes de cada elemento producían rayos de un color estrictamente definido y el prisma desviaba estos rayos a un lugar estrictamente definido y, por lo tanto, ningún color podía enmascarar al otro. Esto nos permitió concluir que un radical nueva manera análisis químico - según el espectro de la sustancia. En 1861, basándose en este descubrimiento, Kirchhoff demostró la presencia de varios elementos en la cromosfera del Sol, sentando las bases de la astrofísica.

Mecanismo de radiación

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.

Radiación termal. 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.

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 dirige un haz de luz a un recipiente que contiene fluoresceita (un tinte orgánico),

Al pasar a través de un filtro de luz violeta, 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.

En la pantalla detrás del prisma refractivo, los colores monocromáticos del espectro están dispuestos en el siguiente orden: rojo (que tiene la mayor longitud de onda luz visible longitud de onda (k=7,6(10-7 m y la tasa más baja refracción), naranja, amarillo, verde, cian, índigo y violeta (que tiene la longitud de onda más corta del espectro visible (f = 4 (10-7 m y tasa más alta refracción). 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: v = 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 la intensidad de la 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.

Un termómetro común y corriente es demasiado sensible para poder utilizarlo 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.

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.

Análisis espectral es un método para estudiar la composición química de diversas sustancias utilizando sus espectros.

El análisis realizado mediante espectros de emisión se denomina análisis espectral de emisión y el análisis realizado mediante espectros de absorción se denomina análisis espectral de absorción.

El análisis espectral de emisión se basa en los siguientes hechos:

1. Cada elemento tiene su propio espectro (que se diferencia en el número de líneas, su ubicación y longitudes de onda), que no depende de los métodos de excitación.

2. La intensidad de las líneas espectrales depende de la concentración del elemento en una sustancia determinada.

Para realizar un análisis espectral de una sustancia con una composición química desconocida, es necesario realizar dos operaciones: forzar de alguna manera a los átomos de esta sustancia a emitir luz con un espectro lineal, luego descomponer esta luz en un espectro y determinar las longitudes de onda de las líneas observadas en él. Comparando el espectro lineal resultante con los espectros conocidos de elementos químicos de la tabla periódica, es posible determinar qué elementos químicos están presentes en la composición de la sustancia en estudio. Comparando las intensidades de diferentes líneas del espectro, se puede determinar el contenido relativo de varios elementos en esta sustancia.

El análisis espectral puede ser cualitativo y cuantitativo.

Si la sustancia en estudio está en estado gaseoso, entonces se suele utilizar para excitar los átomos de la sustancia. descarga de chispa. Se llena un tubo con dos electrodos en los extremos con el gas en estudio. Estos electrodos se suministran Alto voltaje y se produce una descarga eléctrica en el tubo. Impactos de electrones acelerados. campo eléctrico, conducen a la ionización y excitación de los átomos del gas en estudio. Durante las transiciones de átomos excitados en Condicion normal Se emiten cuantos de luz característicos de un elemento determinado.

Para determinar la composición química de una sustancia ubicada en un estado sólido o estado liquido, según su espectro de emisión, es necesario primero convertir la sustancia en estudio en estado gaseoso y de alguna manera hacer que este gas emita luz. Normalmente, se utiliza una descarga de arco para realizar análisis espectrales de muestras de una sustancia en estado sólido. En el plasma de arco, la sustancia se convierte en vapor y los átomos se excitan e ionizan. Los electrodos entre los que se enciende la descarga del arco suelen estar fabricados de la sustancia en estudio (si es metal) o de grafito o cobre. Se eligen el carbono y el cobre porque los espectros de emisión de sus átomos en la región visible tienen un pequeño número de líneas y, por tanto, no crean interferencias graves en la observación del espectro de la sustancia en estudio. El polvo de la sustancia problema se coloca en el hueco del electrodo inferior.

Literatura

Aksenovich L. A. Física en escuela secundaria: Teoría. Tareas. Pruebas: Libro de texto. subsidio para instituciones que imparten educación general. medio ambiente, educación / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 531-532.