Kas yra spektrinė analizė? Signalo spektrinė analizė

Spektrinė analizė yra vienas iš svarbiausių fizikinių medžiagų tyrimo metodų. Skirta nustatyti kokybinę ir kiekybinę medžiagos sudėtį pagal jos spektrą.

Chemikai jau seniai žinojo, kad tam tikrų cheminių elementų junginiai, įmaišyti į liepsną, suteikia jai būdingų spalvų. Taigi, natrio druskos daro liepsną geltoną, o boro junginiai – žalią. Medžiagos spalva atsiranda tada, kai ji skleidžia tam tikro ilgio bangas arba sugeria jas iš viso ant jos krentančios baltos šviesos spektro. Antruoju atveju akies matoma spalva pasirodo atitinkanti ne šias sugertas bangas, o kitas – papildomas, kurios, pridėjus prie jų, suteikia baltą šviesą.

Šie modeliai, nustatyti praėjusio amžiaus pradžioje, buvo apibendrinti 1859–1861 m. Vokiečių mokslininkai G. Kirchhoff ir R. Bunsen, kurie įrodė, kad kiekvienas cheminis elementas turi savo būdingą spektrą. Tai leido sukurti elementų analizės tipą – atominę spektrinę analizę, kurios pagalba galima kiekybiškai nustatyti įvairių elementų kiekį medžiagos, suskaidyto į atomus ar jonus liepsnoje ar elektroje, mėginyje. lankas. Dar prieš sukuriant kiekybinę šio metodo versiją, jis buvo sėkmingai naudojamas dangaus kūnų „elementinei analizei“. Spektrinė analizė jau praėjusiame amžiuje padėjo ištirti Saulės ir kitų žvaigždžių sudėtį, taip pat atrasti kai kuriuos elementus, ypač helio.

Spektrinės analizės pagalba tapo įmanoma išskirti ne tik skirtingus cheminius elementus, bet ir to paties elemento izotopus, kurie dažniausiai duoda skirtingus spektrus. Metodas naudojamas medžiagų izotopinei sudėčiai analizuoti ir yra pagrįstas skirtingais molekulių su skirtingais izotopais energijos lygių poslinkiais.

Rentgeno spinduliai, pavadinti 1895 metais juos atradusio vokiečių fiziko W. Rentgeno vardu, yra viena trumpiausių viso elektromagnetinių bangų spektro bangos ilgių dalių, išsidėsčiusių joje tarp ultravioletinių spindulių ir gama spinduliuotės. Rentgeno spindulius sugėrus atomams, sužadinami gilieji elektronai, esantys šalia branduolio ir su juo ypač tvirtai surišti. Atomų rentgeno spinduliuotė, priešingai, yra susijusi su giliųjų elektronų perėjimais iš sužadintos energijos lygių į įprastus, stacionarius.

Abu lygiai gali turėti tik griežtai apibrėžtas energijas, priklausomai nuo atomo branduolio krūvio. Tai reiškia, kad skirtumas tarp šių energijų, lygus sugerto (arba išspinduliuoto) kvanto energijai, priklauso ir nuo branduolio krūvio, o kiekvieno cheminio elemento spinduliuotė spektro rentgeno srityje yra aibė. šiam elementui būdingų bangų su griežtai apibrėžtais virpesių dažniais.

Rentgeno spindulių spektrinė analizė, elementų analizės rūšis, pagrįsta šio reiškinio panaudojimu. Jis plačiai naudojamas rūdų, mineralų, taip pat sudėtingų neorganinių ir organinių elementų junginių analizei.

Yra ir kitų spektroskopijos tipų, pagrįstų ne spinduliuote, o šviesos bangų absorbcija materijoje. Vadinamieji molekuliniai spektrai paprastai stebimi tada, kai medžiagų tirpalai sugeria matomą, ultravioletinę ar infraraudonąją šviesą; Šiuo atveju nevyksta molekulių skilimas. Jei matoma arba ultravioletinė šviesa dažniausiai veikia elektronus, todėl jie pakyla iki naujų, sužadintų energijos lygių (žr. Atomas), tai infraraudonieji (terminiai) spinduliai, pernešantys mažiau energijos, sužadina tik tarpusavyje susijusių atomų virpesius. Todėl informacija, kurią šių tipų spektroskopija suteikia chemikams, yra skirtinga. Jei iš infraraudonojo (vibracinio) spektro jie sužino apie tam tikrų atomų grupių buvimą medžiagoje, tai spektrai ultravioletinėje (o spalvotoms medžiagoms - matomoje) srityje neša informaciją apie šviesą sugeriančios grupės struktūrą kaip. visuma.

Tarp organinių junginių tokių grupių pagrindas, kaip taisyklė, yra nesočiųjų jungčių sistema (žr. Nesotieji angliavandeniliai). Kuo daugiau molekulėje dvigubų ar trigubų ryšių, besikeičiančių su paprastaisiais (kitaip tariant, kuo ilgesnė konjugacijos grandinė), tuo lengviau sužadinami elektronai.

Molekulinės spektroskopijos metodai naudojami ne tik molekulių struktūrai nustatyti, bet ir tiksliai išmatuoti žinomos medžiagos kiekį tirpale. Tam ypač patogūs spektrai ultravioletinėje arba matomoje srityje. Sugerties juostos šiame regione paprastai stebimos, kai tirpios medžiagos koncentracija yra šimtųjų ir net tūkstantųjų procentų eilės. Ypatingas tokio spektroskopijos taikymo atvejis yra kolorimetrijos metodas, plačiai naudojamas spalvotų junginių koncentracijai matuoti.

Kai kurių medžiagų atomai taip pat gali sugerti radijo bangas. Šis gebėjimas pasireiškia, kai medžiaga patalpinama į galingo nuolatinio magneto lauką. Daugelis atomų branduolių turi savo magnetinį momentą - sukimąsi, o magnetiniame lauke branduoliai su nevienoda sukimosi orientacija pasirodo energetiškai „nevienodi“. Tie, kurių sukimosi kryptis sutampa su taikomo magnetinio lauko kryptimi, atsiduria palankesnėje padėtyje, o kitos orientacijos jų atžvilgiu pradeda vaidinti „sužadintų būsenų“ vaidmenį. Tai nereiškia, kad palankioje sukimosi būsenoje esantis branduolys negali pereiti į „sužadinimo“ būseną; sukimosi būsenų energijų skirtumas yra labai mažas, bet vis tiek nepalankios energijos būsenos branduolių procentas yra palyginti mažas. Ir kuo galingesnis taikomas laukas, tuo jis mažesnis. Atrodo, kad branduoliai svyruoja tarp dviejų energijos būsenų. Ir kadangi tokių svyravimų dažnis atitinka radijo bangų dažnį, galimas ir rezonansas – energijos sugertis iš kintamo elektromagnetinio lauko su atitinkamu dažniu, dėl ko smarkiai padidėja branduolių skaičius sužadintoje būsenoje.

Tai yra branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) spektrometrų, galinčių aptikti, ar medžiagoje yra tų atomų branduolių, kurių sukinys lygus 1/2: vandenilio 1H, ličio 7Li, fluoro 19F, fosforo 31P, darbo pagrindas. taip pat anglies izotopai 13C, azoto 15N, deguonies 17O ir kt.

Kuo galingesnis nuolatinis magnetas, tuo didesnis tokių prietaisų jautrumas. Rezonansinis dažnis, reikalingas branduoliams sužadinti, taip pat didėja proporcingai magnetinio lauko stiprumui. Jis naudojamas kaip prietaiso klasės matas. Vidutinės klasės spektrometrai veikia 60-90 MHz dažniu (fiksuojant protonų spektrus); vėsesnius – 180, 360 ir net 600 MHz dažniu.

Aukštos klasės spektrometrai – labai tikslūs ir sudėtingi prietaisai – leidžia ne tik aptikti ir kiekybiškai išmatuoti konkretaus elemento turinį, bet ir atskirti atomų, užimančių chemiškai „nelygias“ pozicijas molekulėje, signalus. O tiriant vadinamąją sukimosi ir sukimosi sąveiką, dėl kurios signalai suskaidomi į siaurų linijų grupes, veikiant kaimyninių branduolių magnetiniam laukui, galima sužinoti daug įdomių dalykų apie branduolį supančius atomus. studijuoti. BMR spektroskopija leidžia gauti nuo 70 iki 100% informacijos, reikalingos, pavyzdžiui, sudėtingo organinio junginio struktūrai nustatyti.

Kita radijo spektroskopijos rūšis – elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR) – pagrįsta tuo, kad ne tik branduolių, bet ir elektronų sukinys yra 1/2. EPR spektroskopija yra geriausias būdas tirti daleles su neporiniais elektronais – laisvaisiais radikalais. Kaip ir BMR spektrai, EPR spektrai leidžia daug sužinoti ne tik apie pačią „signalizuojančią“ dalelę, bet ir apie ją supančių atomų prigimtį. EPR spektroskopijos prietaisai yra labai jautrūs: spektrui užfiksuoti dažniausiai visiškai pakanka tirpalo, kuriame litre yra keli šimtai milijonųjų molio laisvųjų radikalų. O rekordinio jautrumo prietaisas, neseniai sukurtas grupės sovietų mokslininkų, gali aptikti tik 100 radikalų mėginyje, o tai atitinka jų koncentraciją maždaug 10 -18 mol/l.

Cheminė medžiagos sudėtis– svarbiausia žmonijos naudojamų medžiagų savybė. Be tikslių jos žinių neįmanoma pakankamai tiksliai suplanuoti technologinių procesų pramoninėje gamyboje. Pastaruoju metu cheminės medžiagos cheminės sudėties nustatymo reikalavimai tapo dar griežtesni: daugelyje pramoninės ir mokslinės veiklos sričių reikalingos tam tikro „grynumo“ medžiagos - tai tikslios, fiksuotos sudėties reikalavimai, taip pat griežti apribojimai. pašalinių medžiagų priemaišų buvimas. Atsižvelgiant į šias tendencijas, kuriami vis pažangesni medžiagų cheminės sudėties nustatymo metodai. Tai apima spektrinės analizės metodą, kuris užtikrina tikslų ir greitą medžiagų chemijos tyrimą.

Šviesos fantazija

Spektrinės analizės pobūdis

(spektroskopija) tiria medžiagų cheminę sudėtį pagal jų gebėjimą skleisti ir sugerti šviesą. Yra žinoma, kad kiekvienas cheminis elementas skleidžia ir sugeria tik jam būdingą šviesos spektrą, su sąlyga, kad jis gali būti redukuotas į dujinę būseną.

Remiantis tuo, galima nustatyti šių medžiagų buvimą konkrečioje medžiagoje pagal jų unikalų spektrą. Šiuolaikiniai spektrinės analizės metodai leidžia nustatyti, ar mėginyje yra medžiagos, sveriančios iki milijardų gramų – už tai atsakingas spinduliuotės intensyvumo indikatorius. Atomo skleidžiamo spektro unikalumas apibūdina jo gilų ryšį su fizine struktūra.

Matoma šviesa yra spinduliuotė iš 3,8 *10 -7 į 7,6*10 -7 m, atsakingas už įvairias spalvas. Medžiagos gali skleisti šviesą tik sužadintos būsenos (ši būsena pasižymi padidėjusiu vidinės energijos lygiu), esant pastoviam energijos šaltiniui.

Gavę energijos perteklių, medžiagos atomai ją išskiria šviesos pavidalu ir grįžta į normalią energetinę būseną. Būtent ši atomų skleidžiama šviesa naudojama spektrinei analizei. Dažniausiai pasitaikančios spinduliuotės rūšys yra: šiluminė spinduliuotė, elektroliuminescencija, katodoliuminescencija, chemiliuminescencija.

Spektrinė analizė. Liepsnos dažymas metalo jonais

Spektrinės analizės rūšys

Yra emisijos ir sugerties spektroskopija. Emisijos spektroskopijos metodas pagrįstas elementų savybėmis skleisti šviesą. Medžiagos atomams sužadinti naudojamas aukštos temperatūros kaitinimas, lygus keliems šimtams ar net tūkstančiams laipsnių – tam medžiagos mėginys dedamas į liepsną arba į galingų elektros išlydžių lauką. Esant aukštai temperatūrai, medžiagos molekulės yra suskirstytos į atomus.

Atomai, gavę energijos perteklių, išspinduliuoja ją skirtingų bangos ilgių šviesos kvantų pavidalu, kuriuos fiksuoja spektriniai prietaisai – prietaisai, vizualiai atvaizduojantys gautą šviesos spektrą. Spektriniai įtaisai taip pat tarnauja kaip atskiriamasis spektroskopijos sistemos elementas, nes šviesos srautas yra sumuojamas iš visų mėginyje esančių medžiagų, o jo uždaviniai yra padalinti bendrą šviesos masyvą į atskirų elementų spektrus ir nustatyti jų intensyvumą, leis ateityje padaryti išvadas apie elemento kiekį bendroje medžiagų masėje.

• Priklausomai nuo spektrų stebėjimo ir registravimo metodų, išskiriami spektriniai instrumentai: spektrografai ir spektroskopai. Pirmieji užfiksuoja spektrą fotografinėje juostoje, o antrieji leidžia peržiūrėti spektrą, kad asmuo galėtų tiesiogiai stebėti per specialius taškinius. Matmenims nustatyti naudojami specializuoti mikroskopai, leidžiantys labai tiksliai nustatyti bangos ilgį.
• Užregistravus šviesos spektrą, jis kruopščiai analizuojamas. Identifikuojamos tam tikro ilgio bangos ir jų padėtis spektre. Toliau nustatoma koreliacija tarp jų padėties ir priklausomybės norimoms medžiagoms. Tai atliekama lyginant bangos padėties duomenis su informacija, esančia metodinėse lentelėse, nurodančiose tipinius cheminių elementų bangos ilgius ir spektrus.
• Absorbcijos spektroskopija atliekama panašiai kaip emisijos spektroskopija. Šiuo atveju medžiaga yra tarp šviesos šaltinio ir spektrinio aparato. Praeidama per analizuojamą medžiagą, skleidžiama šviesa pasiekia spektrinį aparatą su tam tikrais bangos ilgiais „nusileidimais“ (absorbcijos linijomis) – jie sudaro tiriamos medžiagos sugertą spektrą. Tolesnė tyrimo seka yra panaši aukščiau minėtam emisijos spektroskopijos procesui.

Spektrinės analizės pradžia

Spektroskopijos svarba mokslui

Spektrinė analizė leido žmonijai atrasti keletą elementų, kurių neįmanoma nustatyti tradiciniais cheminių medžiagų registravimo metodais. Tai tokie elementai kaip rubidis, cezis, helis (jis buvo atrastas naudojant Saulės spektroskopiją – gerokai prieš atradimą Žemėje), indis, galis ir kt. Šių elementų linijos buvo aptiktos dujų emisijos spektruose ir jų tyrimo metu buvo neatpažįstamos.

Tapo aišku, kad tai nauji, iki šiol nežinomi elementai. Spektroskopija turėjo didelės įtakos formuojantis dabartinio tipo metalurgijos ir mechaninės inžinerijos pramonės šakoms, branduolinei pramonei, žemės ūkiui, kur tapo vienu pagrindinių sisteminės analizės priemonių.

Spektroskopija įgijo didžiulę reikšmę astrofizikoje.

Išprovokuoti kolosalų šuolį Visatos sandaros suvokime ir patvirtinti, kad viskas, kas egzistuoja, susideda iš tų pačių elementų, kurių, be kita ko, gausu Žemėje. Šiandien spektrinės analizės metodas leidžia mokslininkams nustatyti milijardus kilometrų nuo Žemės esančių žvaigždžių, ūkų, planetų ir galaktikų cheminę sudėtį – šie objektai, savaime suprantama, dėl didelio atstumo nepasiekiami tiesioginiais analizės metodais.

Absorbcinės spektroskopijos metodu galima tirti tolimus kosmoso objektus, kurie neturi savo spinduliuotės. Šios žinios leidžia nustatyti svarbiausias kosminių objektų charakteristikas: slėgį, temperatūrą, konstrukcines ypatybes ir daug daugiau.

Ar kada susimąstėte, kaip mes žinome apie tolimų dangaus kūnų savybes?

Tikrai žinote, kad tokių žinių turime atlikti spektrinei analizei. Tačiau dažnai neįvertiname šio metodo indėlį į patį supratimą. Spektrinės analizės atsiradimas apvertė daugelį nusistovėjusių paradigmų apie mūsų pasaulio struktūrą ir savybes.

Spektrinės analizės dėka turime idėją apie erdvės mastą ir didybę. Jo dėka mes nebeapsiribojame Visata Paukščių Taku. Spektrinė analizė atskleidė didelę žvaigždžių įvairovę, pasakojančią apie jų gimimą, evoliuciją ir mirtį. Šis metodas yra beveik visų šiuolaikinių ir net būsimų astronominių atradimų pagrindas.

Sužinokite apie nepasiekiamą

Vos prieš du šimtmečius buvo visuotinai priimta, kad planetų ir žvaigždžių cheminė sudėtis amžinai liks mums paslaptis. Iš tiesų, tų metų mintyse, kosminiai objektai visada liks mums nepasiekiami. Todėl mes niekada negausime jokios žvaigždės ar planetos pavyzdžio ir niekada nesužinosime jų sudėties. Spektrinės analizės atradimas visiškai paneigė šią klaidingą nuomonę.

Spektrinė analizė leidžia nuotoliniu būdu sužinoti apie daugelį tolimų objektų savybių. Natūralu, kad be tokio metodo šiuolaikinė praktinė astronomija tiesiog neturi prasmės.

Linijos ant vaivorykštės

Tamsias Saulės spektro linijas dar 1802 metais pastebėjo išradėjas Wollastonas. Tačiau pats atradėjas šiose linijose nebuvo itin užsifiksavęs. Išsamų jų tyrimą ir klasifikavimą 1814 m. atliko Fraunhoferis. Eksperimentų metu jis pastebėjo, kad Saulė, Siriusas, Venera ir dirbtiniai šviesos šaltiniai turi savo linijų rinkinį. Tai reiškė, kad šios linijos priklausė tik nuo šviesos šaltinio. Jiems įtakos neturi nei žemės atmosfera, nei optinio prietaiso savybės.

Šių linijų prigimtį 1859 metais atrado vokiečių fizikas Kirchhoffas kartu su chemiku Robertu Bunsenu. Jie nustatė ryšį tarp Saulės spektro linijų ir įvairių medžiagų garų emisijos linijų. Taigi jie padarė revoliucinį atradimą, kad kiekvienas cheminis elementas turi savo spektro linijų rinkinį. Vadinasi, iš bet kurio objekto spinduliavimo galima sužinoti apie jo sudėtį. Taip gimė spektrinė analizė.

Per ateinančius dešimtmečius daug cheminių elementų buvo atrasta atliekant spektrinę analizę. Tai apima helią, kuris pirmą kartą buvo atrastas Saulėje, todėl jis gavo savo pavadinimą. Todėl iš pradžių buvo manoma, kad tai išskirtinai saulės dujos, kol po trijų dešimtmečių jos buvo atrastos Žemėje.

Trys spektro tipai

Kas paaiškina tokį spektro elgesį? Atsakymas slypi kvantinėje radiacijos prigimtyje. Kaip žinoma, kai atomas sugeria elektromagnetinę energiją, jo išorinis elektronas pereina į aukštesnį energijos lygį. Panašiai ir su radiacija – į žemesnį lygį. Kiekvienas atomas turi savo energijos lygių skirtumus. Taigi unikalus kiekvieno cheminio elemento absorbcijos ir emisijos dažnis.

Būtent tokiais dažniais dujos skleidžia ir skleidžia. Tuo pačiu metu kietieji ir skystieji kūnai kaitinami išskiria visą spektrą, nepriklausomai nuo jų cheminės sudėties. Todėl gautas spektras skirstomas į tris tipus: ištisinį, linijinį ir sugerties spektrą. Atitinkamai, ištisinį spektrą skleidžia kietosios medžiagos ir skysčiai, o linijinį spektrą – dujos. Absorbcijos spektras stebimas, kai nuolatinę spinduliuotę sugeria dujos. Kitaip tariant, įvairiaspalvės linijos tamsiame linijų spektro fone atitiks tamsias linijas įvairiaspalviame sugerties spektro fone.

Saulėje stebimas sugerties spektras, o įkaitintos dujos skleidžia linijinio spektro spinduliuotę. Tai paaiškinama tuo, kad Saulės fotosfera, nors ir yra dujos, nėra skaidri optiniam spektrui. Panašus vaizdas stebimas ir kitose žvaigždėse. Įdomu tai, kad visiško saulės užtemimo metu Saulės spektras tampa linijinis. Iš tiesų, šiuo atveju jis gaunamas iš skaidrių išorinių jo sluoksnių.

Spektroskopijos principai

Optinė spektrinė analizė yra gana paprasta techniniu įgyvendinimu. Jo darbas pagrįstas tiriamo objekto spinduliuotės skaidymu ir tolimesne gauto spektro analize. Naudodamas stiklinę prizmę, 1671 m. Izaokas Niutonas atliko pirmąjį „oficialų“ šviesos skaidymą. Jis taip pat įvedė žodį „spektras“ į mokslinį vartojimą. Tiesą sakant, tuo pačiu būdu išdėstydamas šviesą, Wollastonas pastebėjo juodas linijas spektre. Šiuo principu veikia ir spektrografai.

Šviesos skilimas taip pat gali vykti naudojant difrakcines gardeles. Tolesnė šviesos analizė gali būti atliekama naudojant įvairius metodus. Iš pradžių tam buvo naudojamas stebėjimo vamzdis, vėliau – kamera. Šiais laikais gautas spektras analizuojamas didelio tikslumo elektroniniais instrumentais.

Iki šiol kalbėjome apie optinę spektroskopiją. Tačiau šiuolaikinė spektrinė analizė neapsiriboja šiuo diapazonu. Daugelyje mokslo ir technikos sričių naudojama beveik visų tipų elektromagnetinių bangų spektrinė analizė – nuo ​​radijo iki rentgeno spindulių. Natūralu, kad tokie tyrimai atliekami įvairiais metodais. Be įvairių spektrinės analizės metodų nežinotume šiuolaikinės fizikos, chemijos, medicinos ir, žinoma, astronomijos.

Spektrinė analizė astronomijoje

Kaip minėta anksčiau, spektro linijų tyrimas buvo pradėtas nuo Saulės. Todėl nenuostabu, kad spektrų tyrimas iš karto buvo pritaikytas astronomijoje.

Žinoma, pirmas dalykas, kurį astronomai pradėjo daryti, buvo naudoti šį metodą žvaigždžių ir kitų kosminių objektų sudėties tyrimams. Taigi kiekviena žvaigždė įgijo savo spektrinę klasę, atspindinčią jos atmosferos temperatūrą ir sudėtį. Taip pat tapo žinomi ir Saulės sistemos planetų atmosferos parametrai. Astronomai priartėjo prie dujų ūkų prigimties, taip pat daugelio kitų dangaus objektų ir reiškinių supratimo.

Tačiau naudodamiesi spektrine analize galite sužinoti ne tik apie kokybinę objektų sudėtį.

Išmatuokite greitį

Doplerio efektas astronomijojeDoplerio efektas astronomijoje

Doplerio efektą teoriškai sukūrė austrų fizikas 1840 m., kurio vardu jis buvo pavadintas. Šį efektą galima pastebėti klausantis pravažiuojančio traukinio švilpimo. Artėjančio traukinio švilpimo aukštis pastebimai skirsis nuo judančio traukinio. Maždaug taip teoriškai buvo įrodytas Doplerio efektas. Poveikis yra tas, kad stebėtojui judančio šaltinio bangos ilgis yra iškraipytas. Jis didėja šaltiniui tolstant ir mažėja artėjant. Panašias savybes turi ir elektromagnetinės bangos.

Kai šaltinis tolsta, visos tamsios juostos jo emisijos spektre pasislenka į raudonąją pusę. Tie. visi bangos ilgiai didėja. Lygiai taip pat, priartėjus šaltiniui, jie pereina į violetinę pusę. Taigi jis tapo puikiu spektrinės analizės priedu. Dabar iš spektro linijų buvo galima atpažinti tai, kas anksčiau atrodė neįmanoma. Išmatuokite kosminių objektų greitį, apskaičiuokite dvigubų žvaigždžių orbitos parametrus, planetų sukimosi greitį ir dar daugiau. „Raudonojo poslinkio“ efektas kosmologijoje atliko ypatingą vaidmenį.

Amerikiečių mokslininko Edvino Hablo atradimas yra panašus į Koperniko sukurtą heliocentrinę pasaulio sistemą. Tyrinėdamas cefeidų ryškumą įvairiuose ūkuose, jis įrodė, kad daugelis jų yra daug toliau nei Paukščių Takas. Palyginęs gautus atstumus su galaktikų spektrais, Hablas atrado savo garsųjį dėsnį. Pagal jį atstumas iki galaktikų yra proporcingas jų pasišalinimo iš mūsų greičiui. Nors jo dėsnis šiek tiek skiriasi nuo šiuolaikinių idėjų, Hablo atradimas išplėtė Visatos mastą.

Spektrinė analizė ir šiuolaikinė astronomija

Šiandien beveik nėra astronominių stebėjimų be spektrinės analizės. Jos pagalba atrandamos naujos egzoplanetos ir plečiamos Visatos ribos. Spektrometrai nešiojami marsaeigiuose ir tarpplanetiniuose zonduose, kosminiuose teleskopuose ir tyrimų palydovuose. Tiesą sakant, be spektrinės analizės nebūtų šiuolaikinės astronomijos. Mes ir toliau žiūrėjome į tuščią, beveidę žvaigždžių šviesą, apie kurią nieko nežinotume.

Spektrinė analizė

Spektrinė analizė- objekto sudėties kokybinio ir kiekybinio nustatymo metodų rinkinys, pagrįstas medžiagos sąveikos su spinduliuote spektrų, įskaitant elektromagnetinės spinduliuotės spektrus, akustines bangas, elementariųjų dalelių masių ir energijos pasiskirstymą, tyrimu, ir tt

Atsižvelgiant į analizės tikslus ir spektrų tipus, išskiriami keli spektrinės analizės metodai. Atominis Ir molekulinės spektrinės analizės leidžia nustatyti atitinkamai elementinę ir molekulinę medžiagos sudėtį. Taikant emisijos ir sugerties metodus, sudėtis nustatoma pagal emisijos ir sugerties spektrus.

Masių spektrometrinė analizė atliekama naudojant atominių ar molekulinių jonų masės spektrus ir leidžia nustatyti objekto izotopinę sudėtį.

Istorija

Tamsios linijos spektrinėse juostose buvo pastebėtos jau seniai, tačiau pirmasis rimtas šių linijų tyrimas buvo atliktas tik 1814 m., Juozapas Fraunhoferis. Jo garbei efektas buvo pavadintas „Fraunhoferio linijomis“. Fraunhoferis nustatė eilučių pozicijų stabilumą, sudarė jų lentelę (iš viso suskaičiavo 574 eilutes) ir kiekvienai priskyrė raidinį ir skaitmeninį kodą. Ne mažiau svarbi buvo jo išvada, kad linijos nėra susijusios nei su optine medžiaga, nei su žemės atmosfera, o yra natūrali saulės šviesos savybė. Jis atrado panašias linijas dirbtinuose šviesos šaltiniuose, taip pat Veneros ir Sirijaus spektruose.

Netrukus paaiškėjo, kad viena ryškiausių linijų visada atsirasdavo esant natriui. 1859 metais G. Kirchhoffas ir R. Bunsenas, atlikę daugybę eksperimentų, padarė išvadą: kiekvienas cheminis elementas turi savo unikalų linijų spektrą, o iš dangaus kūnų spektro galima daryti išvadas apie jų medžiagos sudėtį. Nuo šio momento moksle atsirado spektrinė analizė – galingas cheminės sudėties nuotolinio nustatymo metodas.

Norėdami išbandyti metodą, 1868 m. Paryžiaus mokslų akademija surengė ekspediciją į Indiją, kur artėjo visiškas saulės užtemimas. Ten mokslininkai atrado: visos tamsios linijos užtemimo momentu, kai emisijos spektras pakeitė Saulės vainiko sugerties spektrą, tamsiame fone, kaip ir buvo prognozuota, tapo ryškios.

Palaipsniui buvo aiškinamasi kiekvienos linijos pobūdis ir ryšys su cheminiais elementais. 1860 m. Kirchhoffas ir Bunsenas, taikydami spektrinę analizę, atrado cezį, o 1861 m. – rubidį. O helis buvo atrastas Saulėje 27 metais anksčiau nei Žemėje (atitinkamai 1868 ir 1895).

Veikimo principas

Kiekvieno cheminio elemento atomai turi griežtai apibrėžtus rezonansinius dažnius, dėl kurių būtent šiais dažniais jie skleidžia arba sugeria šviesą. Tai lemia tai, kad spektroskope tam tikrose kiekvienai medžiagai būdingose ​​spektro vietose matomos linijos (tamsios arba šviesios). Linijų intensyvumas priklauso nuo medžiagos kiekio ir jos būsenos. Atliekant kiekybinę spektrinę analizę, tiriamos medžiagos kiekis nustatomas pagal santykinį arba absoliutų spektro linijų ar juostų intensyvumą.

Optinei spektrinei analizei būdingas gana paprastas įgyvendinimas, sudėtingo mėginio paruošimo analizei nebuvimas ir nedidelis medžiagos kiekis (10-30 mg), reikalingas daugelio elementų analizei.

Atominiai spektrai (absorbcija arba emisija) gaunami perkeliant medžiagą į garų būseną, kaitinant mėginį iki 1000-10000 °C. Kibirkštis arba kintamos srovės lankas naudojami kaip atomų sužadinimo šaltiniai atliekant laidžių medžiagų emisijos analizę; šiuo atveju mėginys dedamas į vieno iš anglies elektrodų kraterį. Tirpalams analizuoti plačiai naudojamos įvairių dujų liepsnos arba plazmos.

Taikymas

Pastaruoju metu labiausiai paplito emisijos ir masių spektrometriniai spektrinės analizės metodai, pagrįsti atomų sužadinimu ir jų jonizavimu indukcinių išlydžių argono plazmoje, taip pat lazerio kibirkštyje.

Spektrinė analizė yra jautrus metodas ir plačiai naudojamas analitinės chemijos, astrofizikos, metalurgijos, mechanikos inžinerijos, geologinių tyrinėjimų ir kitose mokslo srityse.

Signalų apdorojimo teorijoje spektrinė analizė taip pat reiškia signalo (pavyzdžiui, garso) energijos pasiskirstymo pagal dažnius, bangų skaičių ir kt.

Taip pat žr

Wikimedia fondas.

• 2010 m.
• baltų

Šiaurės Hanas

Pažiūrėkite, kas yra „spektrinė analizė“ kituose žodynuose: SPEKTRALINĖ ANALIZĖ - fizinis kokybės metodai. .ir kiekiai. sudėties nustatymas va, remiantis jos spektrų gavimu ir tyrimu. Pagrindas S. a. atomų ir molekulių spektroskopija, ji klasifikuojama pagal analizės tikslą ir spektrų tipus. Atominis S. a. (ASA) apibrėžia ... ...

Spektrinė analizė Fizinė enciklopedija - Medžiagos sudėties matavimas remiantis jos spektrų tyrimu Šaltinis...

Spektrinė analizė Norminės ir techninės dokumentacijos terminų žodynas-žinynas - žr. Spektroskopija. Geologijos žodynas: 2 tomai. M.: Nedra. Redagavo K. N. Paffengoltz ir kt., 1978. Spektrinė analizė ...

Pažiūrėkite, kas yra „spektrinė analizė“ kituose žodynuose:- 1860 m. Bunsenas ir Kirchhoffas pristatė cheminį medžiagos tyrimą per jai būdingas spalvotas linijas, kurios pastebimos žiūrint į ją (lakavimo metu) per prizmę. 25 000 svetimžodžių paaiškinimas... Rusų kalbos svetimžodžių žodynas

Pažiūrėkite, kas yra „spektrinė analizė“ kituose žodynuose:- SPEKTRINĖ ANALIZĖ, vienas iš analizės metodų, kuriame naudojami spektrai (žr. Spektroskopija, spektroskopas), kuriuos duoda tas ar kitas kūnas, kai jie yra kaitinami! arba leidžiant spindulius per tirpalus, suteikiant nenutrūkstamą spektrą. Už…… Didžioji medicinos enciklopedija

Pažiūrėkite, kas yra „spektrinė analizė“ kituose žodynuose:- fizikinis kokybinio ir kiekybinio medžiagos sudėties nustatymo metodas, atliekamas naudojant jos optinius spektrus. Yra atominė ir molekulinė spektrinė analizė, emisija (pagal emisijos spektrus) ir sugertis (pagal spektrus... ... Didysis enciklopedinis žodynas

Spektrinė analizė- matematinis-statistinis laiko eilučių analizės metodas, kuriame eilutės laikomos sudėtinga aibe, harmoninių virpesių, uždengtų viena ant kitos, mišiniu. Šiuo atveju pagrindinis dėmesys skiriamas dažniui... ... Ekonominis-matematinis žodynas

Pažiūrėkite, kas yra „spektrinė analizė“ kituose žodynuose:- fizinis kokybinio ir kiekybinio cheminių medžiagų nustatymo metodai. bet kokių medžiagų sudėtis, pagrįsta jų optinio spektro gavimu ir tyrimu. Atsižvelgiant į naudojamų spektrų pobūdį, išskiriami šie tipai: emisija (emisija C ... Didžioji politechnikos enciklopedija

Spektrinė analizė- I Spektrinė analizė yra fizikinis metodas, skirtas kokybiniam ir kiekybiniam medžiagos atominės ir molekulinės sudėties nustatymui, remiantis jos spektrų tyrimu. Fizinis pagrindas S. a. Atomų ir molekulių spektroskopija, jos... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

Spektrinė analizė- Straipsnio turinys. I. Kūnų švytėjimas. Emisijos spektras. Saulės spektras. Fraunhoferio linijos. Prizminiai ir difrakcijos spektrai. Prizmės ir grotelių spalvų sklaida. II. Spektroskopai. Alkūninis ir tiesus spektroskopas, nukreiptas į tiesioginį matymą… … Enciklopedinis žodynas F.A. Brockhausas ir I.A. Efronas

Vienas iš pagrindinių cheminės medžiagos cheminės sudėties analizės metodų yra spektrinė analizė. Jo sudėties analizė atliekama remiantis jo spektro tyrimu. Spektrinė analizė – naudojama įvairiuose tyrimuose. Su jo pagalba buvo atrastas cheminių elementų kompleksas: He, Ga, Cs. Saulės atmosferoje. Taip pat, kaip ir Rb, In ir XI, nustatoma Saulės ir daugumos kitų dangaus kūnų sudėtis.

Programos

Spektrinė ekspertizė, paplitusi:

1. Metalurgija;
2. Geologija;
3. Chemija;
4. Mineralogija;
5. Astrofizika;
6. Biologija;
7. vaistai ir kt.

Leidžia rasti mažiausius nustatytos medžiagos kiekius tiriamuose objektuose (iki 10 – MS Spektrinė analizė skirstoma į kokybinę ir kiekybinę).

Metodai

Spektrinės analizės pagrindas yra cheminės medžiagos sudėties nustatymo metodas, pagrįstas spektru. Linijų spektrai turi unikalią asmenybę, kaip ir žmogaus pirštų atspaudai ar snaigių raštas. Raštų išskirtinumas ant piršto odos – didelis privalumas ieškant nusikaltėlio. Todėl, atsižvelgiant į kiekvieno spektro ypatumus, galima nustatyti cheminį organizmo kiekį, analizuojant medžiagos cheminę sudėtį. Net jei jo elemento masė neviršija 10 - 10 g, naudojant spektrinę analizę jį galima aptikti sudėtingos medžiagos sudėtyje. Tai gana jautrus metodas.

Emisijos spektrinė analizė

Emisijos spektrinė analizė – tai cheminės medžiagos cheminės sudėties nustatymo pagal emisijos spektrą metodų serija. Medžiagos cheminės sudėties nustatymo metodo – spektrinio tyrimo – pagrindas grindžiamas emisijos spektrų ir sugerties spektrų modeliais. Šis metodas leidžia identifikuoti milijonines miligramo dalis medžiagos.

Remiantis analitinės chemijos, kaip dalyko, įtvirtinimu, yra kokybinio ir kiekybinio tyrimo metodai, kurių tikslas – suformuluoti cheminės medžiagos cheminės sudėties nustatymo metodus. Medžiagos identifikavimo metodai tampa itin svarbūs atliekant kokybinę organinę analizę.

Remiantis bet kurios medžiagos garų linijiniu spektru, galima nustatyti, kurie cheminiai elementai yra jos sudėtyje, nes bet kuris cheminis elementas turi savo specifinį emisijos spektrą. Toks medžiagos cheminės sudėties nustatymo metodas vadinamas kokybine spektrine analize.

Rentgeno spindulių spektrinė analizė

Yra ir kitas cheminės medžiagos identifikavimo metodas, vadinamas rentgeno spektrine analize. Rentgeno spindulių spektrinė analizė pagrįsta medžiagos atomų aktyvavimu, kai ji apšvitinama rentgeno spinduliais – procesas vadinamas antriniu arba fluorescenciniu. Aktyvinimas galimas ir apšvitinus didelės energijos elektronais, šiuo atveju procesas vadinamas tiesioginiu sužadinimu. Dėl elektronų judėjimo gilesniuose vidiniuose elektronų sluoksniuose atsiranda rentgeno spindulių linijos.

Wulff-Bragg formulė leidžia nustatyti rentgeno spinduliuotės bangos ilgį, kai naudojamas populiarios struktūros kristalas, kurio atstumas yra žinomas d. Tai yra nustatymo metodo pagrindas. Tiriama medžiaga yra bombarduojama didelio greičio elektronais. Jis dedamas, pavyzdžiui, ant išardomo rentgeno vamzdžio anodo, po kurio skleidžia būdingus rentgeno spindulius, kurie krenta ant žinomos struktūros kristalo. Kampai išmatuojami ir atitinkami bangos ilgiai apskaičiuojami pagal formulę, nufotografavus gautą difrakcijos modelį.

Technikai

Šiuo metu visi cheminės analizės metodai yra pagrįsti dviem būdais. Arba: fiziniame priėmime arba cheminiame priėmime, lyginant nustatytą koncentraciją su jos matavimo vienetu:

Fizinis

Fizikinė technika pagrįsta komponento kiekio vieneto susiejimo su etalonu metodu, išmatuojant jo fizines savybes, kurios priklauso nuo jo kiekio medžiagos mėginyje. Funkcinis ryšys „Savybės prisotinimas – komponento kiekis pavyzdyje“ nustatomas bandomuoju būdu, kalibruojant tam tikros fizinės savybės matavimo priemones pagal montuojamą komponentą. Iš kalibravimo grafiko gaunami kiekybiniai ryšiai, sukonstruoti koordinatėse: „fizinės savybės prisotinimas - sumontuoto komponento koncentracija“.

Cheminis

Komponento kiekio vieneto koreliavimo su standartu metodui naudojamas cheminis metodas. Čia naudojami komponento kiekio arba masės išsaugojimo dėsniai cheminės sąveikos metu. Cheminė sąveika grindžiama cheminių junginių cheminėmis savybėmis. Medžiagos mėginyje atliekama cheminė reakcija, atitinkanti nurodytus reikalavimus norimam komponentui nustatyti, ir išmatuojamas konkrečioje komponentų cheminėje reakcijoje dalyvaujantis tūris arba masė. Gaunami kiekybiniai ryšiai, tada užrašomas tam tikros cheminės reakcijos komponento ekvivalentų skaičius arba masės likimo dėsnis.

Prietaisai

Medžiagos fizinės ir cheminės sudėties analizės instrumentai yra šie:

1. Dujų analizatoriai;
2. Pavojaus signalai dėl didžiausios leistinos ir sprogios garų ir dujų koncentracijos;
3. Skystų tirpalų koncentratoriai;
4. Tankio matuokliai;
5. Druskos matuokliai;
6. Drėgmės matuokliai ir kiti prietaisai, panašūs pagal paskirtį ir išsamumą.

Laikui bėgant didėja analizuojamų objektų diapazonas, didėja analizės greitis ir tikslumas. Vienas iš svarbiausių instrumentinių cheminės medžiagos atominės cheminės sudėties nustatymo metodų yra spektrinė analizė.

Kiekvienais metais atsiranda vis daugiau instrumentų kompleksų kiekybinei spektrinei analizei. Jie taip pat gamina pažangiausius spektro įrašymo įrangos tipus ir metodus. Spektrinės laboratorijos iš pradžių organizuojamos mechanikos inžinerijoje, metalurgijoje, o vėliau ir kitose pramonės srityse. Laikui bėgant analizės greitis ir tikslumas didėja. Be to, plečiasi analizuojamų objektų plotas. Vienas iš pagrindinių instrumentinių cheminės medžiagos atominės cheminės sudėties nustatymo metodų yra spektrinė analizė.