Comment se déroule l’analyse spectrale ? Encyclopédie scolaire

Ministère de l'Éducation et des Sciences
République du Kazakhstan

Karaganda Université d'État
nommé d'après E.A. Bouketova

Faculté de physique

Département d'optique et de spectroscopie

Cours

sur le sujet :

Spectres. AVEC analyse spectrale et son application.

Préparé par:

étudiant du groupe FTRF-22

Akhtariev Dmitri.

À carreaux:

professeur

Kusenova Asiya Sabirgalievna

Karaganda - 2003 Plan

Introduction

1. L'énergie dans le spectre

2. Types de spectres

3. Analyse spectrale et son application

4. Appareils spectraux

5. Spectre du rayonnement électromagnétique

Conclusion

Liste de la littérature utilisée

Introduction

L'étude du spectre des raies d'une substance permet de déterminer de quels éléments chimiques elle est constituée et en quelle quantité chaque élément est contenu dans une substance donnée.

La teneur quantitative d'un élément dans l'échantillon étudié est déterminée en comparant l'intensité des raies individuelles du spectre de cet élément avec l'intensité des raies d'un autre élément chimique dont la teneur quantitative dans l'échantillon est connue.

Méthode de détermination de la qualité et composition quantitative L'analyse d'une substance par son spectre est appelée analyse spectrale. L'analyse spectrale est largement utilisée dans l'exploration minérale pour déterminer composition chimique des échantillons de minerai. Dans l'industrie, l'analyse spectrale permet de contrôler la composition des alliages et des impuretés introduites dans les métaux pour obtenir des matériaux aux propriétés recherchées.

Avantages analyse spectrale sont une sensibilité élevée et une rapidité d’obtention des résultats. Grâce à l'analyse spectrale, il est possible de détecter la présence d'or dans un échantillon pesant 6 * 10 -7 g avec une masse de seulement 10 -8 g. La détermination de la nuance d'acier par la méthode d'analyse spectrale peut être effectuée en quelques minutes. dizaines de secondes.

L'analyse spectrale vous permet de déterminer la composition chimique corps célestes, éloigné de la Terre à des distances de plusieurs milliards d'années-lumière. La composition chimique des atmosphères des planètes et des étoiles, des gaz froids dans l'espace interstellaire est déterminée à partir des spectres d'absorption.

En étudiant les spectres, les scientifiques ont pu déterminer non seulement la composition chimique des corps célestes, mais également leur température. Par décalage raies spectrales vous pouvez déterminer la vitesse de déplacement d'un corps céleste.

L'énergie dans le spectre.

La source lumineuse doit consommer de l’énergie. La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde de 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Ondes électromagnétiquesémis par le mouvement accéléré de particules chargées. Ces particules chargées font partie des atomes. Mais sans connaître la structure de l’atome, on ne peut rien dire de fiable sur le mécanisme de rayonnement. Il est clair qu’il n’y a pas de lumière à l’intérieur d’un atome, tout comme il n’y a pas de son dans une corde de piano. Comme une corde qui ne commence à sonner qu’après avoir été frappée par un marteau, les atomes ne donnent naissance à la lumière qu’après avoir été excités.

Pour qu’un atome commence à rayonner, il faut que de l’énergie lui soit transférée. Lorsqu'il émet, un atome perd l'énergie qu'il reçoit, et pour la lueur continue d'une substance, un afflux d'énergie vers ses atomes depuis l'extérieur est nécessaire.

Rayonnement thermique. Le type de rayonnement le plus simple et le plus courant est rayonnement thermique, dans lequel l'énergie perdue par les atomes pour émettre de la lumière est compensée par l'énergie du mouvement thermique des atomes ou (molécules) corps rayonnant. Plus la température corporelle est élevée, plus les atomes se déplacent rapidement. Lorsque des atomes rapides (molécules) entrent en collision, une partie d'entre eux énergie cinétique converti en énergie d'excitation des atomes, qui émettent ensuite de la lumière.

La source thermique de rayonnement est le Soleil, ainsi qu'une lampe à incandescence ordinaire. La lampe est une source très pratique mais peu coûteuse. Seulement environ 12 % de l'énergie totale libérée dans la lampe choc électrique, est convertie en énergie lumineuse. La source thermique de lumière est une flamme. Les grains de suie s'échauffent en raison de l'énergie libérée lors de la combustion du carburant et émettent de la lumière.

Électroluminescence. L’énergie nécessaire aux atomes pour émettre de la lumière peut également provenir de sources non thermiques. Lors d’une décharge dans les gaz, le champ électrique confère une plus grande énergie cinétique aux électrons. Les électrons rapides subissent des collisions avec des atomes. Une partie de l’énergie cinétique des électrons sert à exciter les atomes. Les atomes excités libèrent de l’énergie sous forme d’ondes lumineuses. De ce fait, la décharge dans le gaz s'accompagne d'une lueur. C'est l'électroluminescence.

Cathodoluminescence. Briller solides, provoquée par le bombardement de leurs électrons, est appelée cathodoluminescence. Grâce à la cathodoluminescence, les écrans des tubes cathodiques des téléviseurs brillent.

Chimiluminescence. Pour certains réactions chimiques, accompagnant la libération d'énergie, une partie de cette énergie est directement dépensée pour l'émission de lumière. La source lumineuse reste froide (elle a une température environnement). Ce phénomène est appelé chimioluminescence.

Photoluminescence. La lumière incidente sur une substance est partiellement réfléchie et partiellement absorbée. L’énergie de la lumière absorbée ne provoque dans la plupart des cas qu’un échauffement des corps. Cependant, certains corps eux-mêmes commencent à briller directement sous l'influence des radiations qui les frappent. C'est la photoluminescence. La lumière excite les atomes de matière (augmente leur énergie interne), après quoi ils sont eux-mêmes mis en évidence. Par exemple, les peintures lumineuses qui recouvrent de nombreuses décorations pour arbres de Noël émettent de la lumière après avoir été irradiées.

En règle générale, la lumière émise lors de la photoluminescence a une longueur d'onde plus longue que la lumière qui excite la lueur. Ceci peut être observé expérimentalement. Si vous dirigez un faisceau lumineux passé à travers un filtre violet sur un récipient contenant de la fluorescéite (un colorant organique), alors ce liquide commence à briller avec une lumière vert-jaune, c'est-à-dire une lumière d'une longueur d'onde plus longue que la lumière violette.

Le phénomène de photoluminescence est largement utilisé dans les lampes fluorescentes. physicien soviétique S.I. Vavilov a suggéré de couvrir surface intérieure tube à décharge contenant des substances capables de briller vivement sous l'influence d'un rayonnement à ondes courtes décharge de gaz. Les lampes fluorescentes sont environ trois à quatre fois plus économiques que les lampes à incandescence classiques.

Les principaux types de rayonnements et les sources qui les créent sont répertoriés. Les sources de rayonnement les plus courantes sont thermiques.

Répartition de l'énergie dans le spectre. Aucune des sources ne donne lumière monochromatique, c'est-à-dire la lumière d'une longueur d'onde strictement définie. Nous en sommes convaincus par des expériences sur la décomposition de la lumière en un spectre à l'aide d'un prisme, ainsi que par des expériences sur l'interférence et la diffraction.

L'énergie que la lumière transporte avec elle à partir d'une source est distribuée d'une certaine manière sur les ondes de toutes longueurs qui composent le faisceau lumineux. On peut aussi dire que l'énergie est distribuée sur les fréquences, puisqu'il existe une différence entre la longueur d'onde et la fréquence. connexion simple: ђv = c.

Densité de flux rayonnement électromagnétique, ou intensité /, est déterminée par l’énergie &W attribuable à toutes les fréquences. Pour caractériser la distribution fréquentielle du rayonnement, il est nécessaire d’introduire une nouvelle grandeur : l’intensité par intervalle de fréquence unitaire. Cette quantité est appelée densité spectrale de l’intensité du rayonnement.

La densité spectrale du flux de rayonnement peut être trouvée expérimentalement. Pour ce faire, vous devez utiliser un prisme pour obtenir le spectre d'émission, par exemple, arc électrique, et mesurer la densité de flux de rayonnement tombant sur de petits intervalles spectraux de largeur Av.

Vous ne pouvez pas compter sur votre œil pour estimer la distribution d’énergie. L’œil a une sensibilité sélective à la lumière : sa sensibilité maximale se situe dans la région jaune-vert du spectre. Il est préférable de profiter de la propriété d’un corps noir d’absorber presque complètement la lumière de toutes les longueurs d’onde. Dans ce cas, l’énergie du rayonnement (c’est-à-dire la lumière) provoque un échauffement du corps. Il suffit donc de mesurer la température corporelle et de l'utiliser pour juger de la quantité d'énergie absorbée par unité de temps.

Un thermomètre ordinaire est trop sensible pour être utilisé avec succès dans de telles expériences. Des instruments plus sensibles sont nécessaires pour mesurer la température. Vous pouvez prendre un thermomètre électrique dans lequel élément sensible réalisé sous la forme d'une fine plaque métallique. Cette plaque doit être recouverte couche mince la suie, qui absorbe presque complètement la lumière de n'importe quelle longueur d'onde.

La plaque thermosensible de l'appareil doit être placée à l'un ou l'autre endroit du spectre. L'ensemble du spectre visible de longueur l, des rayons rouges aux rayons violets, correspond à l'intervalle de fréquence de v cr à y f. La largeur correspond à un petit intervalle Av. En chauffant la plaque noire de l'appareil, on peut juger de la densité de flux de rayonnement par intervalle de fréquence Av. En déplaçant la plaque le long du spectre, nous constatons que la plupart l'énergie tombe sur la partie rouge du spectre, et non sur le jaune-vert, comme cela semble à l'œil nu.

Sur la base des résultats de ces expériences, il est possible de construire une courbe de dépendance de la densité spectrale de l'intensité du rayonnement sur la fréquence. La densité spectrale de l'intensité du rayonnement est déterminée par la température de la plaque, et la fréquence n'est pas difficile à trouver si l'appareil utilisé pour décomposer la lumière est calibré, c'est-à-dire si l'on sait à quelle fréquence correspond une partie donnée du spectre. à.

Tracer le long de l'axe des abscisses les valeurs des fréquences correspondant aux milieux des intervalles Av, et le long de l'axe des ordonnées densité spectrale l'intensité du rayonnement, nous obtenons un certain nombre de points à travers lesquels nous pouvons tracer une courbe lisse. Cette courbe donne une représentation visuelle de la répartition de l'énergie et de la partie visible du spectre de l'arc électrique.

L'analyse spectrale est l'une des plus importantes méthodes physiques recherche sur les substances. Conçu pour déterminer la composition qualitative et quantitative d'une substance en fonction de son spectre.

Les chimistes savent depuis longtemps que les composés de certains éléments chimiques, s’ils sont ajoutés à une flamme, lui confèrent des couleurs caractéristiques. Ainsi, les sels de sodium rendent la flamme jaune et les composés de bore la rendent verte. La couleur d'une substance se produit lorsqu'elle émet des ondes d'une certaine longueur ou les absorbe du spectre complet de l'incident qui lui tombe dessus. lumière blanche. Dans le deuxième cas, la couleur visible à l'oeil, s'avère correspondre non pas à ces ondes absorbées, mais à d'autres - des ondes supplémentaires, donnant une lumière blanche lorsqu'elles y sont ajoutées.

Ces schémas, établis au début du siècle dernier, furent généralisés en 1859-1861. Les scientifiques allemands G. Kirchhoff et R. Bunsen, qui ont prouvé que chaque élément chimique possède son propre spectre caractéristique. Cela a permis de créer un type d'analyse élémentaire - l'analyse spectrale atomique, avec laquelle il est possible de déterminer quantitativement le contenu divers éléments dans un échantillon d’une substance décomposée en atomes ou en ions dans une flamme ou un arc électrique. Même avant la création d'une version quantitative de cette méthode, elle était utilisée avec succès pour « l'analyse élémentaire » des corps célestes. L'analyse spectrale a déjà permis au siècle dernier d'étudier la composition du Soleil et d'autres étoiles, ainsi que de découvrir certains éléments, notamment l'hélium.

Grâce à l'analyse spectrale, il est devenu possible de distinguer non seulement différents éléments chimiques, mais aussi des isotopes du même élément, donnant généralement des spectres inégaux. La méthode est utilisée pour analyser la composition isotopique des substances et est basée sur différents changements dans les niveaux d'énergie de molécules avec différents isotopes.

Les rayons X, du nom du physicien allemand W. Roentgen qui les a découverts en 1895, sont l'une des parties de longueur d'onde la plus courte du spectre complet des ondes électromagnétiques, situées entre lumière ultraviolette et le rayonnement gamma. Lorsque les rayons X sont absorbés par les atomes, les électrons profonds situés à proximité du noyau et liés particulièrement étroitement à celui-ci sont excités. L'émission de rayons X par les atomes, au contraire, est associée aux transitions d'électrons profonds des niveaux d'énergie excités aux niveaux d'énergie ordinaires et stationnaires.

Les deux niveaux ne peuvent avoir que des énergies strictement définies, en fonction de la charge du noyau atomique. Cela signifie que la différence entre ces énergies, égal à l'énergie le quantum absorbé (ou émis) dépend également de la charge du noyau, et l'émission de chaque élément chimique dans la région des rayons X du spectre est caractéristique de de cet élément un ensemble d'ondes avec des fréquences d'oscillation strictement définies.

L'analyse spectrale des rayons X, un type d'analyse élémentaire, est basée sur l'utilisation de ce phénomène. Il est largement utilisé pour l'analyse des minerais, des minéraux, ainsi que des composés inorganiques et élémentaires complexes. composés organiques.

Il existe d'autres types de spectroscopie basées non pas sur le rayonnement, mais sur l'absorption des ondes lumineuses par la matière. En règle générale, les spectres dits moléculaires sont observés lorsque des solutions de substances absorbent des substances visibles, ultraviolettes ou lumière infrarouge; Dans ce cas, aucune décomposition des molécules ne se produit. Si la lumière visible ou ultraviolette agit généralement sur les électrons, les faisant s'élever vers de nouveaux électrons excités. niveaux d'énergie(voir Atome), puis les rayons infrarouges (thermiques), porteurs de moins d'énergie, n'excitent que les vibrations des atomes interconnectés. Par conséquent, les informations que ces types de spectroscopie fournissent aux chimistes sont différentes. Si à partir du spectre infrarouge (vibratoire) on apprend la présence de certains groupes d'atomes dans une substance, alors les spectres dans la région ultraviolette (et pour les substances colorées - dans le visible) contiennent des informations sur la structure du groupe absorbant la lumière comme un tout.

Parmi les composés organiques, la base de ces groupes est généralement un système de liaisons insaturées (voir Hydrocarbures insaturés). Plus une molécule contient de liaisons doubles ou triples, en alternance avec des liaisons simples (c'est-à-dire que chaîne plus longue conjugaison), plus les électrons sont excités facilement.

Les méthodes de spectroscopie moléculaire sont utilisées non seulement pour déterminer la structure des molécules, mais également pour mesurer avec précision la quantité substance connue en solution. Les spectres dans la région ultraviolette ou visible sont particulièrement adaptés à cela. Les bandes d'absorption dans cette région sont généralement observées à une concentration de soluté de l'ordre du centième, voire du millième de pour cent. Un cas particulier d’une telle application de la spectroscopie est la méthode colorimétrique, largement utilisée pour mesurer la concentration de composés colorés.

Les atomes de certaines substances sont également capables d’absorber les ondes radio. Cette capacité se manifeste lorsqu'une substance est placée dans le champ d'un puissant aimant permanent. De nombreux noyaux atomiques possèdent leur propre moment magnétique- le spin, et dans un champ magnétique, les noyaux avec une orientation de spin inégale se révèlent énergétiquement « inégaux ». Ceux dont la direction de spin coïncide avec la direction du champ magnétique appliqué se retrouvent dans une position plus favorable, et d'autres orientations commencent à jouer le rôle d'« états excités » par rapport à eux. Cela ne signifie pas qu’un noyau dans un état de spin favorable ne peut pas passer dans un état « excité » ; la différence entre les énergies des états de spin est très faible, mais le pourcentage de noyaux dans un état énergétique défavorable est néanmoins relativement faible. Et plus le champ appliqué est puissant, plus il est petit. Les noyaux semblent osciller entre deux états énergétiques. Et comme la fréquence de ces oscillations correspond à la fréquence des ondes radio, la résonance est également possible - l'absorption d'énergie alternative champ électromagnétique avec la fréquence correspondante, conduisant à une forte augmentation du nombre de noyaux dans un état excité.

C'est la base du travail des spectromètres nucléaires. résonance magnétique(RMN), capable de détecter la présence de ces substances noyaux atomiques, dont le spin est 1/2 : hydrogène 1H, lithium 7Li, fluor 19F, phosphore 31P, ainsi que les isotopes du carbone 13C, de l'azote 15N, de l'oxygène 17O, etc.

La sensibilité de ces appareils est d'autant plus élevée qu'ils sont puissants. aimant permanent. La fréquence de résonance nécessaire pour exciter les noyaux augmente également proportionnellement à l'intensité du champ magnétique. Il sert à mesurer la classe de l'appareil. Les spectromètres de classe moyenne fonctionnent à une fréquence de 60 à 90 MHz (lors de l'enregistrement des spectres de protons) ; les plus froids - à une fréquence de 180, 360 et même 600 MHz.

Les spectromètres haut de gamme - instruments très précis et complexes - permettent non seulement de détecter et de mesurer quantitativement le contenu d'un élément particulier, mais également de distinguer les signaux des atomes occupant des positions chimiquement « inégales » dans la molécule. Et en étudiant ce qu'on appelle l'interaction spin-spin, qui conduit à la division des signaux en groupes de lignes étroites sous l'influence du champ magnétique des noyaux voisins, on peut apprendre beaucoup de choses intéressantes sur les atomes entourant le noyau sous étude. La spectroscopie RMN permet d'obtenir de 70 à 100 % des informations nécessaires, par exemple, pour établir la structure d'un composé organique complexe.

Un autre type de radiospectroscopie - la résonance paramagnétique électronique (RPE) - repose sur le fait que non seulement les noyaux, mais aussi les électrons ont un spin de 1/2. Spectroscopie RPE - meilleure façonétudes de particules non appariées électrons - gratuits radicaux. Comme les spectres RMN, les spectres RPE permettent d’en apprendre beaucoup non seulement sur la particule « signaleuse » elle-même, mais également sur la nature des atomes qui l’entourent. Les instruments de spectroscopie RPE sont très sensibles : une solution contenant quelques centaines de millionièmes de mole suffit généralement pour enregistrer un spectre. radicaux libres pour 1 litre. Et un appareil d'une sensibilité record, récemment créé par un groupe de scientifiques soviétiques, est capable de détecter la présence de seulement 100 radicaux dans un échantillon, ce qui correspond à leur concentration d'environ 10 à 18 mol/l.

L'analyse spectrale est l'une des principales méthodes d'analyse de la composition chimique d'une substance. Une analyse de sa composition est réalisée sur la base de l'étude de son spectre. Analyse spectrale - utilisée dans diverses études. Avec son aide, un complexe d'éléments chimiques a été découvert : He, Ga, Cs. dans l'atmosphère du Soleil. Outre Rb, In et XI, la composition du Soleil et de la plupart des autres corps célestes est déterminée.

Applications

Expertise spectrale, courante dans :

Métallurgie;
Géologie;
Chimie;
Minéralogie;
Astrophysique;
Biologie;
médecine, etc

Permet de retrouver dans les objets étudiés les plus petites quantités de la substance à déterminer (jusqu'à 10 - MS) L'analyse spectrale est divisée en qualitative et quantitative.

Méthodes

La méthode d'établissement de la composition chimique d'une substance basée sur le spectre constitue la base de l'analyse spectrale. Les spectres de raies ont personnalité unique, tout comme les empreintes digitales humaines ou le motif des flocons de neige. Le caractère unique des motifs sur la peau d'un doigt constitue un grand avantage pour rechercher un criminel. Ainsi, grâce aux particularités de chaque spectre, il est possible d’établir contenu chimique corps en analysant la composition chimique de la substance. Même si la masse de l'élément ne dépasse pas 10 à 10 g, grâce à l'analyse spectrale, il peut être détecté dans la composition. substance complexe. C'est une méthode assez sensible.

Analyse spectrale d'émission

L'analyse spectrale d'émission est une série de méthodes permettant de déterminer la composition chimique d'une substance à partir de son spectre d'émission. La base de la méthode d'établissement de la composition chimique d'une substance - l'examen spectral - repose sur les modèles des spectres d'émission et des spectres d'absorption. Cette méthode vous permet d'identifier des millionièmes de milligramme d'une substance.

Il existe des méthodes d'examen qualitatif et quantitatif, conformément à l'établissement chimie analytique en tant que sujet dont le but est de formuler des méthodes pour établir la composition chimique d'une substance. Les méthodes d’identification d’une substance deviennent extrêmement importantes dans le cadre d’une analyse organique qualitative.

Sur la base du spectre linéaire des vapeurs de n'importe quelle substance, il est possible de déterminer quels éléments chimiques sont contenus dans sa composition, car tout élément chimique possède son propre spectre d'émission spécifique. Cette méthode d'établissement de la composition chimique d'une substance est appelée analyse spectrale qualitative.

Analyse spectrale des rayons X

Il existe une autre méthode pour déterminer substance chimique, appelée analyse spectrale des rayons X. L'analyse spectrale des rayons X est basée sur l'activation des atomes d'une substance lorsqu'elle est irradiée par des rayons X, processus appelé secondaire ou fluorescent. L'activation est également possible lorsqu'elle est irradiée avec des électrons de haute énergie ; dans ce cas, le processus est appelé excitation directe. En raison du mouvement des électrons dans des profondeurs internes plus profondes couches électroniques des lignes apparaissent rayonnement X.

La formule de Wulff-Bragg vous permet de définir les longueurs d'onde dans la composition du rayonnement X lors de l'utilisation d'un cristal de structure populaire avec distance connue d. C'est la base de la méthode de détermination. La substance étudiée est bombardée d’électrons à grande vitesse. Placez-le, par exemple, sur l'anode d'un pliable tube à rayons X, par la suite dont il dégage des caractéristiques radiographies qui tombent sur le cristal structure connue. Les angles sont mesurés et les longueurs d'onde correspondantes sont calculées à l'aide de la formule, après avoir photographié le diagramme de diffraction résultant.

Techniques

Actuellement toutes les méthodes analyse chimique reposent sur deux techniques. Soit lors d'une réception physique, soit lors d'une réception chimique, en comparant la concentration établie avec son unité de mesure :

Physique

La technique physique repose sur la méthode de corrélation d'une unité de quantité d'un composant avec un étalon en le mesurant propriétés physiques, qui dépend de sa teneur dans l'échantillon de substance. La relation fonctionnelle « Saturation des propriétés – teneur en composants dans l'échantillon » est déterminée par essai en calibrant les moyens de mesure d'une propriété physique donnée en fonction du composant à installer. A partir du graphique d'étalonnage, des relations quantitatives sont obtenues, tracées dans les coordonnées : « saturation d'une propriété physique - concentration du composant en cours d'installation ».

Chimique

Une technique chimique est utilisée dans la méthode de corrélation d’une unité de quantité d’un composant avec un étalon. Les lois de conservation de la quantité ou de la masse d'un composant lors d'interactions chimiques sont ici utilisées. Sur propriétés chimiques composés chimiques, basé interactions chimiques. Dans un échantillon d'une substance, une réaction chimique est effectuée qui répond aux exigences spécifiées pour déterminer le composant souhaité, et le volume ou la masse impliqué dans la réaction chimique spécifique des composants est mesuré. Des relations quantitatives sont obtenues, puis le nombre d'équivalents d'un composant pour une réaction chimique donnée ou la loi de conservation de la masse est écrit.

Appareils

Instruments d'analyse composition physique et chimique les substances sont :

Analyseurs de gaz;
Alarmes pour les concentrations maximales admissibles et explosives de vapeurs et de gaz ;
Concentrateurs pour solutions liquides;
Densimètres ;
Compteurs de sel ;
Humidimètres et autres appareils similaires en termes d'objectif et d'exhaustivité.

Au fil du temps, la gamme d’objets analysés augmente ainsi que la vitesse et la précision de l’analyse. L’analyse spectrale est l’une des méthodes instrumentales les plus importantes pour établir la composition chimique atomique d’une substance.

Chaque année, de plus en plus de complexes d'instruments apparaissent pour l'analyse spectrale quantitative. Ils produisent également les types d’équipements et de méthodes les plus avancés pour l’enregistrement du spectre. Les laboratoires spectraux sont organisés d'abord en génie mécanique, en métallurgie, puis dans d'autres domaines de l'industrie. Au fil du temps, la vitesse et la précision de l’analyse augmentent. De plus, le domaine des objets analysés s'étend. L'analyse spectrale est l'une des principales méthodes instrumentales permettant de déterminer la composition chimique atomique d'une substance.

Introduction………………………………………………………………………………….2

Mécanisme de rayonnement………………………………………………………………………………..3

Répartition de l'énergie dans le spectre……………………………………………………….4

Types de spectres……………………………………………………………………………………….6

Types d'analyses spectrales………………………………………………………7

Conclusion…………………………………………………………………………………..9

Littérature……………………………………………………………………………….11

Introduction

Le spectre est la décomposition de la lumière en ses éléments constitutifs, des rayons de différentes couleurs.

Méthode d'étude de la composition chimique diverses substances en fonction de leurs spectres d'émission ou d'absorption en raies, sont appelés analyse spectrale. Une quantité négligeable de substance est requise pour l’analyse spectrale. Sa rapidité et sa sensibilité ont rendu cette méthode indispensable aussi bien en laboratoire qu'en astrophysique. Puisque chaque élément chimique du tableau périodique émet une caractéristique uniquement pour lui spectre de raiesémission et absorption, cela permet d’étudier la composition chimique d’une substance. Les physiciens Kirchhoff et Bunsen ont tenté pour la première fois de le faire en 1859, en construisant spectroscope. La lumière y pénétrait à travers une fente étroite découpée sur un bord du télescope (ce tuyau avec une fente est appelé collimateur). Depuis le collimateur, les rayons tombaient sur un prisme recouvert d'une boîte recouverte de papier noir à l'intérieur. Le prisme déviait les rayons provenant de la fente. Le résultat était un spectre. Après cela, ils ont recouvert la fenêtre d'un rideau et ont placé un brûleur allumé au niveau de la fente du collimateur. Des morceaux de diverses substances ont été introduits alternativement dans la flamme de la bougie et ils ont observé le spectre résultant à travers un deuxième télescope. Il s'est avéré que les vapeurs incandescentes de chaque élément produisaient des rayons d'une couleur strictement définie, et le prisme déviait ces rayons vers un endroit strictement défini, et donc aucune couleur ne pouvait masquer l'autre. Cela nous a permis de conclure qu'un radical nouvelle façon analyse chimique - selon le spectre de la substance. En 1861, sur la base de cette découverte, Kirchhoff prouva la présence d'un certain nombre d'éléments dans la chromosphère du Soleil, jetant ainsi les bases de l'astrophysique.

Mécanisme de rayonnement

La source lumineuse doit consommer de l’énergie. La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde de 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Les ondes électromagnétiques sont émises par le mouvement accéléré de particules chargées. Ces particules chargées font partie des atomes. Mais sans connaître la structure de l’atome, on ne peut rien dire de fiable sur le mécanisme de rayonnement. Il est clair qu’il n’y a pas de lumière à l’intérieur d’un atome, tout comme il n’y a pas de son dans une corde de piano. Comme une corde qui ne commence à sonner qu’après avoir été frappée par un marteau, les atomes ne donnent naissance à la lumière qu’après avoir été excités.

Rayonnement thermique. Le type de rayonnement le plus simple et le plus courant est le rayonnement thermique, dans lequel l'énergie perdue par les atomes pour émettre de la lumière est compensée par l'énergie du mouvement thermique des atomes ou (molécules) du corps émetteur. Plus la température corporelle est élevée, plus les atomes se déplacent rapidement. Lorsque des atomes rapides (molécules) entrent en collision, une partie de leur énergie cinétique est convertie en énergie d'excitation des atomes, qui émettent alors de la lumière.

La source thermique de rayonnement est le Soleil, ainsi qu'une lampe à incandescence ordinaire. La lampe est une source très pratique mais peu coûteuse. Seulement environ 12 % de l’énergie totale libérée par le courant électrique dans une lampe est convertie en énergie lumineuse. La source thermique de lumière est une flamme. Les grains de suie s'échauffent en raison de l'énergie libérée lors de la combustion du carburant et émettent de la lumière.

Cathodoluminescence. La lueur des solides provoquée par le bombardement d’électrons est appelée cathodoluminescence. Grâce à la cathodoluminescence, les écrans des tubes cathodiques des téléviseurs brillent.

Chimiluminescence. Dans certaines réactions chimiques qui libèrent de l’énergie, une partie de cette énergie est directement dépensée pour l’émission de lumière. La source lumineuse reste froide (elle est à température ambiante). Ce phénomène est appelé chimioluminescence.

Photoluminescence. La lumière incidente sur une substance est partiellement réfléchie et partiellement absorbée. L’énergie de la lumière absorbée ne provoque dans la plupart des cas qu’un échauffement des corps. Cependant, certains corps eux-mêmes commencent à briller directement sous l'influence des radiations qui les frappent. C'est la photoluminescence. La lumière excite les atomes d'une substance (augmente leur énergie interne), après quoi ils s'illuminent eux-mêmes. Par exemple, les peintures lumineuses qui recouvrent de nombreuses décorations pour arbres de Noël émettent de la lumière après avoir été irradiées.

Passé à travers un filtre de lumière violette, ce liquide commence à briller d'une lumière vert-jaune, c'est-à-dire une lumière d'une longueur d'onde plus longue que la lumière violette.

Le phénomène de photoluminescence est largement utilisé dans les lampes fluorescentes. Le physicien soviétique S.I. Vavilov a proposé de recouvrir la surface interne du tube à décharge de substances capables de briller sous l'action du rayonnement à ondes courtes d'une décharge gazeuse. Les lampes fluorescentes sont environ trois à quatre fois plus économiques que les lampes à incandescence classiques.

Les principaux types de rayonnements et les sources qui les créent sont répertoriés. Les sources de rayonnement les plus courantes sont thermiques.

Distribution d'énergie dans le spectre

Sur l'écran derrière le prisme réfractif, les couleurs monochromatiques du spectre sont disposées dans l'ordre suivant : rouge (qui a la plus grande longueur d'onde lumière visible longueur d'onde (k=7,6(10-7 m et taux le plus bas réfraction), orange, jaune, vert, cyan, indigo et violet (ayant la longueur d'onde la plus courte du spectre visible (f = 4 (10-7 m et taux le plus élevé réfraction). Aucune des sources ne produit de lumière monochromatique, c'est-à-dire une lumière d'une longueur d'onde strictement définie. Nous en sommes convaincus par des expériences sur la décomposition de la lumière en un spectre à l'aide d'un prisme, ainsi que par des expériences sur l'interférence et la diffraction.

L'énergie que la lumière transporte avec elle à partir d'une source est distribuée d'une certaine manière sur les ondes de toutes longueurs qui composent le faisceau lumineux. On peut aussi dire que l'énergie est distribuée sur les fréquences, puisqu'il existe une relation simple entre longueur d'onde et fréquence : v = c.

La densité de flux du rayonnement électromagnétique, ou intensité /, est déterminée par l'énergie &W attribuable à toutes les fréquences. Pour caractériser la distribution fréquentielle du rayonnement, il est nécessaire d’introduire une nouvelle grandeur : l’intensité par intervalle de fréquence unitaire. Cette quantité est appelée densité spectrale de l’intensité du rayonnement.

La densité spectrale du flux de rayonnement peut être trouvée expérimentalement. Pour ce faire, vous devez utiliser un prisme pour obtenir le spectre de rayonnement, par exemple d'un arc électrique, et mesurer la densité de flux de rayonnement tombant sur de petits intervalles spectraux de largeur Av.

Un thermomètre ordinaire est trop sensible pour être utilisé avec succès dans de telles expériences. Des instruments plus sensibles sont nécessaires pour mesurer la température. Vous pouvez prendre un thermomètre électrique dans lequel l'élément sensible est réalisé sous la forme d'une fine plaque métallique. Cette plaque doit être recouverte d'une fine couche de suie, qui absorbe presque complètement la lumière de n'importe quelle longueur d'onde.

La plaque thermosensible de l'appareil doit être placée à l'un ou l'autre endroit du spectre. L'ensemble du spectre visible de longueur l, des rayons rouges aux rayons violets, correspond à l'intervalle de fréquence de v cr à y f. La largeur correspond à un petit intervalle Av. En chauffant la plaque noire de l'appareil, on peut juger de la densité de flux de rayonnement par intervalle de fréquence Av. En déplaçant la plaque le long du spectre, nous constaterons que la majeure partie de l'énergie se trouve dans la partie rouge du spectre, et non dans le jaune-vert, comme cela semble à l'œil nu.

En traçant le long de l'axe des abscisses les valeurs des fréquences correspondant aux milieux des intervalles Av, et le long de l'axe des ordonnées la densité spectrale de l'intensité du rayonnement, on obtient un certain nombre de points par lesquels on peut tracer une courbe lisse. Cette courbe donne une représentation visuelle de la répartition de l'énergie et de la partie visible du spectre de l'arc électrique.

Analyse spectrale est une méthode permettant d'étudier la composition chimique de diverses substances à l'aide de leurs spectres.

L'analyse réalisée à l'aide de spectres d'émission est appelée analyse spectrale d'émission, et l'analyse réalisée à l'aide de spectres d'absorption est appelée analyse spectrale d'absorption.

L'analyse spectrale d'émission est basée sur les faits suivants :

1. Chaque élément a son propre spectre (différent par le nombre de raies, leur emplacement et leurs longueurs d'onde), qui ne dépend pas des méthodes d'excitation.

2. L'intensité des raies spectrales dépend de la concentration de l'élément dans une substance donnée.

Pour effectuer une analyse spectrale d'une substance de composition chimique inconnue, il est nécessaire d'effectuer deux opérations : forcer d'une manière ou d'une autre les atomes de cette substance à émettre de la lumière avec un spectre de raies, puis décomposer cette lumière en un spectre et déterminer les longueurs d'onde de les lignes qui y sont observées. En comparant le spectre de raies obtenu avec les spectres connus des éléments chimiques du tableau périodique, il est possible de déterminer quels éléments chimiques sont présents dans la composition de la substance étudiée. En comparant les intensités des différentes raies du spectre, il est possible de déterminer la teneur relative des différents éléments de cette substance.

L'analyse spectrale peut être qualitative et quantitative.

Si la substance étudiée est à l'état gazeux, elle est généralement utilisée pour exciter les atomes de la substance. décharge d'étincelle. Un tube avec deux électrodes aux extrémités est rempli du gaz étudié. Ces électrodes sont fournies haute tension et une décharge électrique se produit dans le tube. Impacts des électrons accélérés champ électrique, conduisent à l’ionisation et à l’excitation des atomes du gaz étudié. Lors des transitions d'atomes excités vers état normal des quanta de lumière caractéristiques d’un élément donné sont émis.

Déterminer la composition chimique d'une substance située dans un solide ou état liquide, selon son spectre d'émission, il faut d'abord convertir la substance étudiée en état gazeux et d'une manière ou d'une autre, faire en sorte que ce gaz émette de la lumière. Généralement, une décharge en arc est utilisée pour effectuer une analyse spectrale d'échantillons d'une substance à l'état solide. Dans le plasma d’arc, la substance est transformée en vapeur et les atomes sont excités et ionisés. Les électrodes entre lesquelles la décharge d'arc est allumée sont généralement constituées de la substance étudiée (si elle est métallique) ou de graphite ou de cuivre. Le carbone et le cuivre sont choisis parce que les spectres d'émission de leurs atomes dans la région visible comportent un petit nombre de raies et ne créent donc pas d'interférences sérieuses dans l'observation du spectre de la substance étudiée. La poudre de la substance à tester est placée dans l'évidement de l'électrode inférieure.

Littérature

Aksenovich L. A. Physique à lycée: Théorie. Missions. Tests : Manuel. allocation pour les établissements dispensant un enseignement général. environnement, éducation / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino ; Éd. KS Farino. - Mn. : Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 531-532.