Composición química de la sustancia.– la característica más importante de los materiales utilizados por la humanidad. Sin su conocimiento exacto, es imposible planificar con una precisión satisfactoria. procesos tecnológicos en la producción industrial. EN últimamente requisitos para la determinación composición química Las sustancias se han vuelto aún más estrictas: muchas áreas de la actividad industrial y científica requieren materiales de cierta "pureza": estos son requisitos para una composición precisa y fija, así como restricciones estrictas sobre la presencia de impurezas de sustancias extrañas. En relación con estas tendencias, se están desarrollando métodos cada vez más progresivos para determinar la composición química de sustancias. Estos incluyen el método de análisis espectral, que proporciona información precisa y aprendizaje rápido química de materiales.
fantasía de luz
Naturaleza del análisis espectral
(espectroscopia) estudia la composición química de sustancias en función de su capacidad para emitir y absorber luz. Se sabe que cada elemento químico emite y absorbe un espectro luminoso que le es característico únicamente, siempre que pueda reducirse a un estado gaseoso.
De acuerdo con esto, es posible determinar la presencia de estas sustancias en un material en particular basándose en su espectro único. Métodos modernos El análisis espectral permite determinar la presencia de una sustancia que pesa hasta una milmillonésima de gramo en una muestra; el indicador de intensidad de radiación es responsable de esto. La unicidad del espectro emitido por un átomo caracteriza su profunda relación con la estructura física.
La luz visible es la radiación de 3,8 *10 -7 a 7,6*10 -7 m, responsable de varios colores. Las sustancias pueden emitir luz sólo en un estado excitado (este estado se caracteriza nivel aumentado interno) en presencia de una fuente constante de energía.
Al recibir un exceso de energía, los átomos de la sustancia la emiten en forma de luz y vuelven a su estado energético normal. Es esta luz emitida por los átomos la que se utiliza para el análisis espectral. Los tipos de radiación más comunes incluyen: radiación térmica, electroluminiscencia, catodoluminiscencia, quimioluminiscencia.
Análisis espectral. Coloración a la llama con iones metálicos.
Tipos de análisis espectral
Hay espectroscopia de emisión y absorción. El método de espectroscopia de emisión se basa en las propiedades de los elementos para emitir luz. Para excitar los átomos de una sustancia, se utiliza calentamiento a alta temperatura, igual a varios cientos o incluso miles de grados; para ello, se coloca una muestra de la sustancia en una llama o en el campo de acción de potentes descargas electricas. bajo la influencia temperatura más alta las moleculas de una sustancia se dividen en atomos.
Los átomos, al recibir un exceso de energía, la emiten en forma de cuantos de luz de diferentes longitudes de onda, que se registran mediante dispositivos espectrales, dispositivos que representan visualmente el espectro de luz resultante. Los dispositivos espectrales también sirven como elemento separador del sistema de espectroscopia, porque el flujo de luz se suma de todas las sustancias presentes en la muestra, y sus tareas incluyen dividir la matriz total de luz en espectros de elementos individuales y determinar su intensidad, que permitirá en el futuro sacar conclusiones sobre la cantidad del elemento presente V masa total sustancias.
- Dependiendo de los métodos de observación y registro de espectros, se distinguen los instrumentos espectrales: espectrógrafos y espectroscopios. Los primeros registran el espectro en una película fotográfica y los segundos permiten ver el espectro para que una persona lo observe directamente a través de telescopios especiales. Para determinar las dimensiones se utilizan microscopios especializados que permiten determinar la longitud de onda con gran precisión.
- Después del registro espectro de luz el esta expuesto análisis cuidadoso. Se identifican ondas de cierta longitud y su posición en el espectro. A continuación se correlaciona su posición y su pertenencia a las sustancias deseadas. Esto se hace comparando los datos de posición de las olas con la información ubicada en tablas metodológicas que indican longitudes de onda y espectros típicos de elementos químicos.
- La espectroscopia de absorción se lleva a cabo de manera similar a la espectroscopia de emisión. En este caso, la sustancia se coloca entre la fuente de luz y el aparato espectral. Al atravesar el material analizado, la luz emitida llega al aparato espectral mediante "caídas" (líneas de absorción) a lo largo de determinadas longitudes de onda: constituyen el espectro absorbido del material en estudio. La secuencia posterior del estudio es similar para el proceso anterior de espectroscopia de emisión.
Análisis espectral de apertura
La importancia de la espectroscopia para la ciencia.
El análisis espectral permitió a la humanidad descubrir varios elementos que no se pudieron determinar métodos tradicionales registro quimicos. Se trata de elementos como el rubidio, el cesio, el helio (fue descubierto mediante espectroscopia del Sol, mucho antes de su descubrimiento en la Tierra), el indio, el galio y otros. Las líneas de estos elementos fueron detectadas en los espectros de emisión de gases y en el momento de su estudio eran inidentificables.
Quedó claro que se trataba de elementos nuevos, hasta entonces desconocidos. Seria influencia La espectroscopia influyó en la formación del tipo actual de industria de ingeniería metalúrgica y mecánica, industria nuclear, agricultura, donde se convirtió en una de las principales herramientas de análisis sistemático.
La espectroscopia ha adquirido una enorme importancia en la astrofísica.
Provocando un salto colosal en la comprensión de la estructura del Universo y la afirmación de que todo lo que existe está formado por los mismos elementos, que, entre otras cosas, abundan en la Tierra. Hoy en día, el método de análisis espectral permite a los científicos determinar la composición química de estrellas, nebulosas, planetas y galaxias ubicadas a miles de millones de kilómetros de la Tierra; estos objetos, naturalmente, no son accesibles a métodos de análisis directo debido a su gran distancia.
Utilizando el método de espectroscopia de absorción, es posible estudiar objetos espaciales distantes que no tienen radiación propia. Este conocimiento nos permite establecer las características más importantes de los objetos espaciales: presión, temperatura, características estructurales y mucho más.
Aplicación del análisis espectral.
El método que proporciona información valiosa y más diversa sobre los cuerpos celestes es el análisis espectral. Permite determinar a partir del análisis de la luz la composición química cualitativa y cuantitativa de la luminaria, su temperatura, presencia e intensidad. campo magnético, velocidad de movimiento a lo largo de la línea de visión y mucho más.
El análisis espectral se basa en la descomposición. luz blanca en las partes que lo componen. Si se envía un haz de luz a borde lateral prisma triédrico, luego, al refractarse en el vidrio de diferentes maneras, los rayos que componen la luz blanca darán una franja de arco iris en la pantalla, llamada espectro. En el espectro, todos los colores siempre se encuentran en un orden determinado.
Como se sabe, la luz viaja en la forma 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. radiación de rayos x Los cuerpos celestes, importantes para comprender su naturaleza, son retrasados 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 significar observaciones en el rango del infrarrojo al 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 da una característica elemento químico espectro de líneas. 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.
Un espectro de absorción lineal es producido por gases y vapores cuando detrás de ellos hay una fuente más brillante y caliente que produce 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.
La emisión de espectros permite analizar la composición química de los gases, emitiendo luz o absorberlo, sin importar 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. Cómo más átomos, más brillante es la línea o más oscura es 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.
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
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.
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 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 le permite determinar la composición química. cuerpos celestes, 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. 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. Sólo está claro que no hay luz dentro de un átomo, del mismo modo que no hay sonido en la cuerda 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 al 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 necesaria para que los átomos emitan luz también puede obtenerse 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. 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 (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 relación simple entre longitud de onda y frecuencia: 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 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.
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 juzgar a partir de ella 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. 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 mayoría 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.
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.
Tipos de espectros.
Composición espectral radiación varias sustancias muy diverso. Pero, a pesar de ello, todos los espectros, como demuestra la experiencia, se pueden dividir en tres tipos muy diferentes entre sí.
Espectros continuos.
El espectro solar o espectro de luz de arco es continuo. Esto significa que el espectro contiene ondas de todas las longitudes de onda. No hay interrupciones en el espectro y en la pantalla del espectrógrafo se puede ver una franja continua de colores.
Distribución de energía en frecuencias, es decir, densidad espectral de la intensidad de la radiación, por ejemplo. diferentes cuerpos varios. Por ejemplo, un cuerpo con una superficie muy negra emite ondas electromagnéticas de todas las frecuencias, pero la curva de dependencia de la densidad espectral de la intensidad de la radiación con la frecuencia tiene un máximo a una determinada frecuencia. La energía de radiación a frecuencias muy bajas y muy altas es insignificante. Al aumentar la temperatura, la densidad espectral máxima de radiación se desplaza hacia ondas más cortas.
Los espectros continuos (o continuos), como muestra la experiencia, están dados por cuerpos ubicados en sólidos o estado liquido, así como gases altamente comprimidos. Para obtener un espectro continuo, el cuerpo debe calentarse a una temperatura elevada.
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 en grado fuerte Dependen de la interacción de los átomos entre sí.
El plasma a alta temperatura también produce un espectro continuo. Las ondas electromagnéticas son emitidas por el plasma principalmente cuando los electrones chocan con los iones.
Espectros de líneas.
Agreguemos un trozo de amianto humedecido con una solución de agua corriente a la pálida llama de un quemador de gas. sal de mesa. Al observar una llama a través de un espectroscopio, una línea amarilla brillante parpadeará contra el fondo del espectro continuo apenas visible de la llama. Esta línea amarilla es producida por el vapor de sodio, que se forma cuando las moléculas de sal de mesa se descomponen en una llama. En el espectroscopio también se puede ver una empalizada de líneas de colores de brillo variable, separadas por amplias franjas oscuras. Estos espectros se llaman gobernó. La presencia de un espectro lineal significa que una sustancia emite luz sólo en determinadas longitudes de onda (más precisamente, en determinados intervalos espectrales muy estrechos). Cada línea tiene un ancho finito.
Los espectros lineales dan todas las sustancias en estado atómico gaseoso ( pero no molecular) condición. En este caso, la luz la emiten átomos que prácticamente no interactúan entre sí. Este es el tipo de espectro más fundamental y básico.
Los átomos aislados de un elemento químico determinado emiten longitudes de onda estrictamente definidas.
Normalmente, para observar espectros lineales se utiliza el brillo del vapor de una sustancia en una llama o el brillo de una descarga de gas en un tubo lleno con el gas en estudio.
A medida que aumenta la densidad del gas atómico, las líneas espectrales individuales se expanden y, finalmente, a velocidades muy bajas. densidad alta gas, cuando la interacción de los átomos se vuelve significativa, estas líneas se superponen entre sí, formando un espectro continuo.
Espectros rayados.
El espectro de bandas consta de bandas individuales separadas por espacios oscuros. Con la ayuda de un muy buen aparato espectral se puede descubrir que cada banda representa una colección gran número líneas muy próximas entre sí. 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.
Para observar los espectros moleculares, así como para observar los espectros lineales, se suele utilizar el resplandor del vapor en una llama o el resplandor de una descarga de gas.
Espectros de absorción.
Todas las sustancias cuyos átomos están 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. Así, el vidrio rojo transmite ondas correspondientes a la luz roja (l»8·10 -5 cm) y absorbe todas las demás.
Si se pasa luz blanca a través de un gas frío que no emite, aparecen líneas oscuras en el contexto del espectro continuo de la fuente. El gas absorbe más intensamente la luz precisamente de aquellas longitudes de onda que emite cuando se calienta mucho. Las líneas oscuras sobre el fondo de un espectro continuo son líneas de absorción que juntas forman un espectro de absorción.
Existen espectros de emisión continuos, lineales y rayados y otros tantos tipos de espectros de absorción.
Es importante saber de qué están hechos los cuerpos que nos rodean. Se han inventado muchos métodos para determinar su composición. Pero la composición de estrellas y galaxias sólo puede determinarse mediante análisis espectral.
Análisis espectral y sus aplicaciones.
Los espectros lineales juegan un papel especial papel 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. Por tanto, al familiarizarnos con los espectros lineales, damos el primer paso hacia el estudio de la estructura de los átomos. Al observar estos espectros, los científicos pudieron "mirar" el interior del átomo. Aquí la óptica entra en estrecho contacto con la física atómica.
La principal propiedad de los espectros lineales es que las longitudes de onda (o frecuencias) del espectro lineal de una sustancia dependen únicamente de las propiedades de los átomos de esta sustancia, pero son completamente independientes del método de excitación del brillo de los átomos.. Los átomos de cualquier elemento químico producen un espectro diferente al de todos los demás elementos: son capaces de emitir un conjunto estrictamente definido de longitudes de onda.
Basado en esto espectral análisis- un método para determinar la composición química de una sustancia a partir de su espectro. Al igual que las huellas dactilares humanas, los espectros lineales tienen personalidad unica. La singularidad de los patrones en la piel del dedo a menudo ayuda a encontrar al criminal. Del mismo modo, gracias a la individualidad de los espectros, es posible determinar la composición química del organismo. Mediante el análisis espectral, puede detectar este elemento en la composición. sustancia compleja incluso si su masa no excede 10 -10. Este es un método muy sensible.
Análisis cuantitativo Determinar la composición de una sustancia a partir de su espectro es difícil, ya que el brillo de las líneas espectrales depende no sólo de la masa de la sustancia, sino también del método de excitación del resplandor. Así, a bajas temperaturas, muchas líneas espectrales no aparecen en absoluto. Sin embargo, siempre que se cumplan las condiciones estándar para la excitación de la luminiscencia, también se puede realizar un análisis espectral cuantitativo.
Actualmente, se han determinado los espectros de todos los átomos y se han compilado tablas de espectros. Con la ayuda del análisis espectral se descubrieron muchos elementos nuevos: rubidio, cesio, etc. A menudo, los elementos recibían nombres de acuerdo con el color de las líneas más intensas del espectro. El rubidio produce líneas de rubí de color rojo oscuro. La palabra cesio significa "azul cielo". Este es el color de las líneas principales del espectro del cesio.
Fue con la ayuda del análisis espectral que se conoció la composición química del Sol y las estrellas. En este caso, otros métodos de análisis son generalmente imposibles. Resultó que las estrellas se componen de los mismos elementos químicos que se encuentran en la Tierra. Es curioso que el helio se descubrió originalmente en el Sol y solo luego se encontró en la atmósfera terrestre. El nombre de este elemento recuerda la historia de su descubrimiento: la palabra helio significa "soleado" en la traducción.
Debido a su comparativa simplicidad y versatilidad, el análisis espectral es el método principal para monitorear la composición de una sustancia en la metalurgia, la ingeniería mecánica y la industria nuclear. Mediante análisis espectral, se determina la composición química de menas y minerales.
La composición de mezclas complejas, principalmente orgánicas, se analiza mediante sus espectros moleculares.
El análisis espectral se puede realizar no sólo a partir de espectros de emisión, sino también de espectros de absorción. Son las líneas de absorción en el espectro del Sol y las estrellas las que permiten estudiar la composición química de estos cuerpos celestes. La superficie brillantemente luminosa del Sol, la fotosfera, produce un espectro continuo. atmósfera solar Absorbe selectivamente la luz de la fotosfera, lo que conduce a la aparición de líneas de absorción en el contexto del espectro continuo de la fotosfera.
Pero la propia atmósfera del Sol emite luz. Durante eclipses solares, cuando el disco solar queda cubierto por la Luna, las líneas del espectro se invierten. En lugar de líneas de absorción en el espectro solar, parpadean líneas de emisión.
En astrofísica, el análisis espectral significa no sólo determinar la composición química de estrellas, nubes de gas, etc., sino también encontrar a partir de los espectros muchas otras características físicas de estos objetos: temperatura, presión, velocidad de movimiento, inducción magnética.
Además de la astrofísica, el análisis espectral se utiliza ampliamente en la ciencia forense para investigar las pruebas encontradas en la escena del crimen. Además, el análisis espectral en la ciencia forense ayuda a determinar el arma homicida y, en general, a revelar algunos de los detalles del crimen.
El análisis espectral se utiliza aún más ampliamente en medicina. Aquí su aplicación es muy buena. Puede utilizarse para diagnóstico, así como para identificar sustancias extrañas en el cuerpo humano.
El análisis espectral hace progresar no sólo la ciencia, sino también esfera publica actividad humana.
El análisis espectral requiere instrumentos espectrales especiales, que consideraremos más adelante.
Dispositivos espectrales
Para un estudio preciso de los espectros, ya no son suficientes dispositivos tan simples como una estrecha rendija que limita el haz de luz y un prisma. Se necesitan instrumentos que proporcionen un espectro claro, es decir, instrumentos que separen bien ondas de diferentes longitudes y no permitan la superposición. áreas individuales espectro Estos dispositivos se denominan dispositivos espectrales. Muy a menudo, la parte principal del aparato espectral es un prisma o una rejilla de difracción.
Consideremos el diagrama de diseño de un aparato espectral de prisma. La radiación en estudio ingresa primero a una parte del dispositivo llamada colimador. El colimador es un tubo, en un extremo del cual hay una pantalla con una rendija estrecha y en el otro, una lente colectora. La brecha se encuentra en longitud focal desde la lente. Por lo tanto, un haz de luz divergente que incide sobre la lente desde la rendija sale de ella como un haz paralelo e incide sobre el prisma.
Dado que diferentes frecuencias corresponden a diferentes índices de refracción, del prisma emergen haces paralelos que no coinciden en dirección. Caen sobre la lente. En la distancia focal de esta lente hay una pantalla: vidrio esmerilado o placa fotográfica. La lente enfoca haces de rayos paralelos en la pantalla y, en lugar de una imagen de la rendija, se obtiene una serie completa de imágenes. Cada frecuencia (intervalo espectral estrecho) tiene su propia imagen. Todas estas imágenes juntas forman un espectro.
El dispositivo descrito se llama espectrógrafo. Si en lugar de una segunda lente y pantalla utilizas telescopio Para la observación visual de los espectros, el dispositivo se llama espectroscopio. Los prismas y otras partes de los dispositivos espectrales no están necesariamente hechos de vidrio. En lugar de vidrio también se utilizan materiales transparentes como el cuarzo. sal de roca etc.
Se ha familiarizado con una nueva cantidad: la densidad espectral de la intensidad de la radiación. Descubrimos qué hay dentro de la carcasa del aparato espectral.
La composición espectral de la radiación de sustancias es muy diversa. Pero a pesar de esto, todos los espectros, como muestra la experiencia, se pueden dividir en tres tipos.
Espectro de radiación electromagnética.
Propiedades de la radiación electromagnética. La radiación electromagnética con diferentes longitudes de onda tiene muchas diferencias, pero todas, desde las ondas de radio hasta la radiación gamma, son una naturaleza fisica. Todos los tipos de radiación electromagnética, en mayor o menor medida, presentan las propiedades de interferencia, difracción y polarización características de las ondas. Al mismo tiempo, todos los tipos de radiación electromagnética presentan en mayor o menor medida propiedades cuánticas.
Todas las radiaciones electromagnéticas tienen en común los mecanismos de su aparición: durante el movimiento acelerado pueden surgir ondas electromagnéticas de cualquier longitud de onda. cargas electricas o durante las transiciones de moléculas, átomos o núcleos atómicos de un estado cuántico a otro. Vibraciones armónicas Las cargas eléctricas van acompañadas de radiación electromagnética que tiene una frecuencia. igual a la frecuencia vibraciones de carga.
Ondas de radio. Cuando se producen oscilaciones con frecuencias de 10 5 a 10 12 Hz, se genera radiación electromagnética, cuyas longitudes de onda oscilan entre varios kilómetros y varios milímetros. Esta sección de la escala de radiación electromagnética se refiere al rango de ondas de radio. Las ondas de radio se utilizan para comunicaciones por radio, televisión y radar.
Radiación infrarroja. Radiación electromagnética con una longitud de onda inferior a 1-2 mm, pero superior a 8 * 10 -7 m, es decir situada entre el rango de las ondas de radio y el rango luz visible, se llaman radiación infrarroja.
La región del espectro más allá de su borde rojo se estudió experimentalmente por primera vez en 1800. El astrónomo inglés William Herschel (1738 - 1822). Herschel colocó un termómetro con una bola ennegrecida en el extremo rojo del espectro y descubrió un aumento de temperatura. La bola del termómetro se calentó mediante radiación invisible a la vista. Esta radiación se llamó rayos infrarrojos.
Cualquier cuerpo calentado emite radiación infrarroja. Las fuentes de radiación infrarroja son las estufas, los radiadores para calentar agua y las lámparas eléctricas incandescentes.
Con la ayuda de dispositivos especiales, la radiación infrarroja se puede convertir en luz visible y se pueden obtener imágenes de objetos calentados en completa oscuridad. La radiación infrarroja se utiliza para secar productos pintados, paredes de construcción y madera.
Luz visible. La luz visible (o simplemente luz) incluye radiación con una longitud de onda de aproximadamente 8*10 -7 a 4*10 -7 m, desde la luz roja hasta la violeta.
La importancia de esta parte del espectro de radiación electromagnética en la vida humana es extremadamente grande, ya que una persona recibe casi toda la información sobre el mundo que la rodea a través de la visión.
La luz es un requisito previo para el desarrollo de las plantas verdes y, por tanto, una condición necesaria para la existencia de vida en la Tierra.
Radiación ultravioleta. En 1801, el físico alemán Johann Ritter (1776 - 1810), mientras estudiaba el espectro, descubrió que más allá de su borde violeta hay una región creada por rayos invisibles al ojo. Estos rayos afectan a algunos compuestos químicos. Bajo la influencia de estos rayos invisibles, el cloruro de plata se descompone, los cristales de sulfuro de zinc y algunos otros cristales brillan.
La radiación electromagnética con una longitud de onda más corta que la de la luz violeta, invisible al ojo, se llama radiación ultravioleta. La radiación ultravioleta incluye radiación electromagnética en el rango de longitud de onda de 4*10 -7 a 1*10 -8 m.
La radiación ultravioleta puede matar bacterias patógenas, por lo que se utiliza ampliamente en medicina. La radiación ultravioleta de la luz solar causa procesos biológicos, que provoca el oscurecimiento de la piel humana: el bronceado.
Las lámparas de descarga de gas se utilizan como fuente de radiación ultravioleta en medicina. Los tubos de estas lámparas están hechos de cuarzo, transparente a los rayos ultravioleta; Por eso estas lámparas se llaman lámparas de cuarzo.
rayos x. Si en un tubo de vacío entre el cátodo calentado, que emite un electrón, y el ánodo, aplique voltaje constante varias decenas de miles de voltios, entonces los electrones serán primero acelerados por el campo eléctrico y luego bruscamente desacelerados en la sustancia anódica al interactuar con sus átomos. Cuando los electrones rápidos de una sustancia se desaceleran o durante las transiciones electrónicas en las capas internas de los átomos, aparecen ondas electromagnéticas con una longitud de onda más corta que la de la radiación ultravioleta. Esta radiación fue descubierta en 1895 por el físico alemán Wilhelm Roentgen (1845-1923). La radiación electromagnética en el rango de longitud de onda de 10 -14 a 10 -7 m se llama rayos X.
Los rayos X son invisibles al ojo. Pasan sin una absorción significativa a través de importantes capas de materia que son opacas a la luz visible. Los rayos X se detectan por su capacidad de provocar un cierto brillo en determinados cristales y actuar sobre la película fotográfica.
Capacidad rayos x Penetrar a través de gruesas capas de materia que se utilizan para diagnosticar enfermedades. órganos internos persona. En tecnología, los rayos X se utilizan para controlar estructura interna productos varios, soldaduras. Los rayos X tienen fuertes efectos biológicos y se utilizan para tratar determinadas enfermedades.
Radiación gamma. La radiación gamma es una radiación electromagnética emitida por núcleos atómicos excitados y resultante de la interacción de partículas elementales.
La radiación gamma es la radiación electromagnética de longitud de onda más corta (l < 10-10 metros). Su peculiaridad son sus pronunciadas propiedades corpusculares. Por lo tanto, la radiación gamma generalmente se considera como una corriente de partículas: cuantos gamma. En la región de longitud de onda de 10 -10 a 10 -14, los rangos de radiación de rayos X y gamma se superponen; en esta región, los rayos X y los rayos gamma son idénticos en naturaleza y solo difieren en su origen;
Conclusión
EN principios del XIX v. Se descubrió que no existe una parte roja de mayor longitud de onda en el espectro de la luz visible. visible al ojo infrarrojo parte del espectro, y debajo del violeta la parte del espectro de la luz visible es invisible ultravioleta parte del espectro.
Las longitudes de onda de la radiación infrarroja varían desde
3·10 -4 a 7,6·10 -7 m. propiedad característica esta radiación es su efecto térmico. La fuente de infrarrojos es cualquier cuerpo. La intensidad de esta radiación es mayor cuanto más temperatura más alta cuerpos. La radiación infrarroja se estudia mediante termopares y bolómetros. El principio de funcionamiento de los dispositivos de visión nocturna se basa en el uso de radiación infrarroja.
Las longitudes de onda de la radiación ultravioleta varían desde
4·10 -7 a 6·10 -9 m La propiedad más característica de esta radiación es su química y efecto biológico. La radiación ultravioleta provoca el efecto fotoeléctrico, el brillo de varias sustancias ( fluorescencia y fosforescencia). Mata los microbios patógenos, provoca el bronceado, etc.
En ciencia, infrarrojos y radiación ultravioleta Se utiliza para estudiar moléculas y átomos de la materia.
En la pantalla detrás del prisma refractivo, los colores monocromáticos del espectro están dispuestos en el siguiente orden: rojo (que tiene la longitud de onda más larga entre las ondas de luz visible lk = 7,6 · 10 -7 m y tasa más baja refracción), naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta (que tiene la longitud de onda más corta del espectro visible l f = 4·10 -7 m y tasa más alta refracción).
Así, el análisis espectral se utiliza en casi todas las áreas más importantes de la actividad humana: en medicina, medicina forense, industria y otras industrias que existen en beneficio de la humanidad. Por lo tanto, el análisis espectral es uno de los aspectos más importantes del desarrollo no solo progreso científico, sino también el nivel mismo de vida humana.
Lista de literatura usada
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3. N.N. Evgrafova, V.L. Kagan "Curso de física para departamentos preparatorios de universidades". Editorial "Escuela Superior", Moscú - 1978.
4. B.M. Yavorsky, Yu.A Seleznev "Una guía de referencia de física para quienes ingresan a la universidad y se autoeducan". Editorial "Ciencia", Moscú - 1984.
5. DE Kabardin "Física". Editorial "Prosveshchenie", M. - 1991.
El análisis espectral se divide en varios métodos independientes. Entre ellos se encuentran: espectroscopia infrarroja y ultravioleta, absorción atómica, análisis de luminiscencia y fluorescencia, espectroscopia de reflexión y Raman, espectrofotometría, espectroscopia de rayos X, así como muchos otros métodos.
El análisis espectral de absorción se basa en el estudio de los espectros de absorción de la radiación electromagnética. El análisis espectral de emisión se realiza utilizando los espectros de emisión de átomos, moléculas o iones excitados. de varias maneras.
Análisis espectral de emisión atómica.
El análisis espectral a menudo se denomina únicamente análisis espectral de emisión atómica, que se basa en el estudio de los espectros de emisión de átomos e iones libres en la fase gaseosa. Se realiza en el rango de longitudes de onda de 150 a 800 nm. Se introduce una muestra de la sustancia en estudio en la fuente de radiación, después de lo cual se produce en ella la evaporación y disociación de las moléculas, así como la excitación de los iones resultantes. Emiten radiación, que es registrada por un dispositivo de grabación. dispositivo espectral.
Trabajar con espectros
Los espectros de las muestras se comparan con los espectros de elementos conocidos, que se pueden encontrar en las correspondientes tablas de líneas espectrales. Así se determina la composición de la sustancia analizada. El análisis cuantitativo implica la concentración de un elemento determinado en el analito. Se reconoce por la magnitud de la señal, por ejemplo, por el grado de ennegrecimiento o densidad óptica líneas en una placa fotográfica, según la intensidad del flujo luminoso en el receptor fotoeléctrico.
Tipos de espectros
Las sustancias en estado sólido o líquido, así como los gases densos, proporcionan un espectro continuo de radiación. En dicho espectro no hay interrupciones; en él están representadas ondas de todas las longitudes. Su carácter depende no sólo de sus propiedades. átomos individuales, sino también de su interacción entre sí.
El espectro de emisión lineal es característico de sustancias en estado gaseoso, mientras que los átomos casi no interactúan entre sí. El hecho es que los átomos aislados de un elemento químico emiten ondas de una longitud de onda estrictamente definida.
A medida que aumenta la densidad del gas, las líneas espectrales comienzan a ampliarse. Para observar dicho espectro, se utiliza el brillo de una descarga de gas en un tubo o el vapor de una sustancia en una llama. Si la luz blanca pasa a través de un gas que no emite, aparecerán líneas oscuras en el espectro de absorción en el contexto del espectro continuo de la fuente. El gas absorbe más intensamente la luz de aquellas longitudes de onda que emite cuando se calienta.
El análisis espectral es uno de los métodos físicos más importantes para estudiar 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 del espectro completo de la luz blanca que incide sobre ella. En el segundo caso, el color visible al ojo resulta no corresponder a estas ondas absorbidas, sino a otras, adicionales que, cuando se les agregan, dan luz blanca.
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 en arco voltaico. 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 sólo diferentes elementos químicos, sino también isótopos de un mismo elemento, que normalmente dan 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, situadas en él entre la luz ultravioleta y la 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 radiación de cada elemento químico en la región de rayos X del espectro es un conjunto de ondas características de un elemento determinado con frecuencias de vibración 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 es visible o luz ultravioleta generalmente actúa sobre los electrones, haciendo que se eleven a nuevos electrones 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) aprenden sobre la presencia de ciertos grupos de átomos en una sustancia, entonces los espectros en la región ultravioleta (y para sustancias coloreadas, en la visible) transmiten información sobre la estructura del grupo absorbente de luz como un todo.
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 generalmente se observan 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 su propio momento magnético: el espín, y en un campo magnético los núcleos con una 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 energéticos. 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 electromagnético 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 magnética(RMN), capaz de detectar la presencia en una sustancia de aquellos núcleos atómicos cuyo espín es igual a 1/2: hidrógeno 1H, litio 7Li, flúor 19F, fósforo 31P, así como isótopos de carbono 13C, nitrógeno 15N, oxígeno 17O. , etc.
Cuanto más potente sea el imán permanente, mayor será la sensibilidad de dichos dispositivos. 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 - 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 espectroscopía 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.
