Kako se izvaja spektralna analiza? Šolska enciklopedija

Ministrstvo za izobraževanje in znanost
Republika Kazahstan

Karaganda Državna univerza
poimenovan po E.A. Buketova

Fakulteta za fiziko

Oddelek za optiko in spektroskopijo

Tečajna naloga

na temo:

Spektri. Z spektralna analiza in njena uporaba.

Pripravil:

študent skupine FTRF-22

Akhtariev Dmitrij.

Preverjeno:

učiteljica

Kusenova Asiya Sabirgalievna

Karaganda - 2003 Načrtujte

Uvod

1. Energija v spektru

2. Vrste spektrov

3. Spektralna analiza in njena uporaba

4. Spektralne naprave

5. Spekter elektromagnetnega sevanja

Zaključek

Seznam uporabljene literature

Uvod

Preučevanje črtastega spektra snovi nam omogoča, da ugotovimo, iz katerih kemičnih elementov je sestavljena in v kakšni količini je vsak element v dani snovi.

Količinsko vsebnost elementa v proučevanem vzorcu se določi tako, da se intenziteta posameznih črt v spektru tega elementa primerja z intenziteto črt drugega kemijskega elementa, katerega količinska vsebnost v vzorcu je znana.

Metoda za ugotavljanje kakovosti in kvantitativna sestava Analiza snovi po njenem spektru se imenuje spektralna analiza. Spektralna analiza se pogosto uporablja pri raziskovanju mineralov za določanje kemična sestava vzorcev rude. V industriji spektralna analiza omogoča nadzor sestave zlitin in nečistoč, vnesenih v kovine, da se pridobijo materiali z določenimi lastnostmi.

Prednosti spektralna analiza so visoka občutljivost in hitrost pridobivanja rezultatov. S spektralno analizo je mogoče zaznati prisotnost zlata v vzorcu, ki tehta 6 * 10 -7 g, z njegovo maso le 10 -8 g. Določanje stopnje jekla z metodo spektralne analize je mogoče izvesti v nekaj desetine sekund.

Spektralna analiza vam omogoča določitev kemične sestave nebesna telesa, oddaljena od Zemlje na razdaljah milijard svetlobnih let. Kemično sestavo atmosfer planetov in zvezd, hladnega plina v medzvezdnem prostoru določamo iz absorpcijskih spektrov.

S preučevanjem spektrov so znanstveniki lahko določili ne le kemično sestavo nebesnih teles, ampak tudi njihovo temperaturo. Z odmikom spektralne črte lahko določite hitrost gibanja nebesnega telesa.

Energija v spektru.

Vir svetlobe mora porabiti energijo. Svetloba je elektromagnetno valovanje z valovno dolžino 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Elektromagnetni valovi ki jih oddaja pospešeno gibanje nabitih delcev. Ti nabiti delci so del atomov. Toda brez poznavanja strukture atoma ni mogoče reči ničesar zanesljivega o mehanizmu sevanja. Jasno je le, da v atomu ni svetlobe, tako kot ni zvoka v klavirski struni. Kot struna, ki zazveni šele, ko jo udari kladivo, atomi rodijo svetlobo šele, ko so vzburjeni.

Da atom začne sevati, je treba nanj prenesti energijo. Pri oddajanju atom izgubi prejeto energijo, za neprekinjen sij snovi pa je potreben dotok energije k njenim atomom od zunaj.

Toplotno sevanje. Najenostavnejša in najpogostejša vrsta sevanja je toplotno sevanje, pri katerem se energija, ki jo atomi izgubijo za oddajanje svetlobe, kompenzira z energijo toplotnega gibanja atomov ali (molekul) sevalno telo. Višja kot je telesna temperatura, hitreje se gibljejo atomi. Ko hitri atomi (molekule) trčijo drug ob drugega, del njih kinetična energija pretvori v energijo vzbujanja atomov, ki nato oddajajo svetlobo.

Toplotni vir sevanja je sonce, pa tudi navadna žarnica z žarilno nitko. Svetilka je zelo priročen, a poceni vir. Samo približno 12% celotne energije, ki se sprosti v žarnici električni šok, se pretvori v svetlobno energijo. Toplotni vir svetlobe je plamen. Zrna saj se zaradi energije, ki se sprošča pri zgorevanju goriva, segrejejo in oddajajo svetlobo.

Elektroluminiscenca. Energija, ki jo atomi potrebujejo za oddajanje svetlobe, lahko prihaja tudi iz netoplotnih virov. Med razelektritvijo v plinih daje električno polje elektronom večjo kinetično energijo. Hitri elektroni doživljajo trke z atomi. Del kinetične energije elektronov gre za vzbujanje atomov. Vzbujeni atomi sproščajo energijo v obliki svetlobnih valov. Zaradi tega praznjenje v plinu spremlja sij. To je elektroluminiscenca.

Katodoluminiscenca. Sijaj trdne snovi, ki jo povzroči obstreljevanje z njihovimi elektroni, imenujemo katodoluminiscenca. Zahvaljujoč katodoluminiscenci zasloni katodnih cevi televizorjev svetijo.

Kemiluminiscenca. Za nekatere kemične reakcije, ki prihaja s sproščanjem energije, se del te energije neposredno porabi za oddajanje svetlobe. Vir svetlobe ostane hladen (ima temperaturo okolju). Ta pojav imenujemo kemioluminiscenca.

Fotoluminiscenca. Svetloba, ki vpade na snov, se delno odbije in delno absorbira. Energija absorbirane svetlobe v večini primerov povzroči le segrevanje teles. Vendar pa nekatera telesa sama začnejo svetiti neposredno pod vplivom sevanja, ki pade nanje. To je fotoluminiscenca. Svetloba vznemirja atome snovi (povečuje njihovo notranja energija), nato pa so sami poudarjeni. Na primer, svetleče barve, ki prekrivajo številne okraske za božična drevesca, po obsevanju oddajajo svetlobo.

Svetloba, oddana med fotoluminiscenco, ima praviloma daljšo valovno dolžino od svetlobe, ki vzbuja sij. To lahko opazimo eksperimentalno. Če svetlobni žarek skozi vijolični filter usmerite na posodo s fluoresceitom (organsko barvilo), začne ta tekočina svetiti z zeleno-rumeno svetlobo, torej s svetlobo daljše valovne dolžine od vijolične svetlobe.

Pojav fotoluminiscence se pogosto uporablja v fluorescenčnih sijalkah. sovjetski fizik S.I. Vavilov je predlagal pokrivanje notranja površina izpustna cev s snovmi, ki lahko močno žarijo pod vplivom kratkovalovnega sevanja izpust plina. Fluorescentne sijalke so približno tri do štirikrat varčnejše od običajnih žarnic z žarilno nitko.

Navedene so glavne vrste sevanja in viri, ki jih ustvarjajo. Najpogostejši viri sevanja so toplota.

Porazdelitev energije v spektru. Nobeden od virov ne daje monokromatska svetloba, to je svetloba strogo določene valovne dolžine. O tem nas prepričajo poskusi razgradnje svetlobe v spekter s pomočjo prizme ter poskusi interference in uklona.

Energija, ki jo svetloba nosi s seboj iz vira, se na določen način porazdeli po valovih vseh dolžin, ki sestavljajo svetlobni žarek. Lahko rečemo tudi, da je energija porazdeljena po frekvencah, saj obstaja razlika med valovno dolžino in frekvenco. preprosta povezava: ђv = c.

Gostota pretoka elektromagnetno sevanje, ali intenzivnost /, je določena z energijo &W, ki jo je mogoče pripisati vsem frekvencam. Za karakterizacijo frekvenčne porazdelitve sevanja je treba uvesti novo količino: jakost na enoto frekvenčnega intervala. To količino imenujemo spektralna gostota jakosti sevanja.

Spektralno gostoto toka sevanja je mogoče ugotoviti eksperimentalno. Če želite to narediti, morate uporabiti prizmo, da dobite emisijski spekter, na primer električni lok, in izmerite gostoto toka sevanja, ki pade na majhne spektralne intervale širine Av.

Pri oceni porazdelitve energije se ne morete zanesti na svoje oko. Oko ima selektivno občutljivost za svetlobo: njegova največja občutljivost je v rumeno-zelenem območju spektra. Najbolje je izkoristiti lastnost črnega telesa, da skoraj popolnoma absorbira svetlobo vseh valovnih dolžin. V tem primeru energija sevanja (tj. svetloba) povzroča segrevanje telesa. Zato je dovolj, da izmerimo telesno temperaturo in po njej ocenimo količino absorbirane energije na časovno enoto.

Navaden termometer je premalo občutljiv, da bi ga lahko uspešno uporabili pri takih poskusih. Za merjenje temperature so potrebni bolj občutljivi instrumenti. Lahko vzamete električni termometer, v katerem senzorski element izdelan v obliki tanke kovinske plošče. Ta plošča mora biti pokrita tanek sloj saj, ki skoraj popolnoma absorbira svetlobo katere koli valovne dolžine.

Toplotno občutljivo ploščo naprave je treba postaviti na eno ali drugo mesto v spektru. Celoten vidni spekter dolžine l od rdečih do vijoličnih žarkov ustreza frekvenčnemu intervalu od v cr do y f. Širina ustreza majhnemu intervalu Av. S segrevanjem črne plošče naprave lahko ocenimo gostoto sevalnega toka na frekvenčni interval Av. Če ploščo premikamo po spektru, ugotovimo, da večina energija pade na rdeči del spektra in ne na rumeno-zelen, kot se zdi na oko.

Na podlagi rezultatov teh poskusov je mogoče sestaviti krivuljo odvisnosti spektralne gostote intenzivnosti sevanja od frekvence. Spektralno gostoto jakosti sevanja določa temperatura plošče, frekvence pa ni težko ugotoviti, če je naprava za razgradnjo svetlobe umerjena, torej če je znano, kateri frekvenci ustreza določeni del spektra. do.

Vzdolž abscisne osi narišite vrednosti frekvenc, ki ustrezajo srednjim točkam intervalov Av, in vzdolž ordinatne osi spektralna gostota jakosti sevanja, dobimo številne točke, skozi katere lahko narišemo gladko krivuljo. Ta krivulja daje vizualno predstavitev porazdelitve energije in vidnega dela spektra električnega obloka.

Spektralna analiza je ena najpomembnejših fizikalne metode raziskave snovi. Zasnovan za določanje kvalitativne in kvantitativne sestave snovi na podlagi njenega spektra.

Kemiki že dolgo vedo, da spojine določenih kemičnih elementov, če jih dodamo plamenu, dajo značilne barve. Tako natrijeve soli naredijo plamen rumen, spojine bora pa zelenega. Barva snovi se pojavi, ko bodisi oddaja valove določene dolžine ali pa jih absorbira iz celotnega spektra incidenta, ki vpada nanjo. bela svetloba. V drugem primeru barva vidna očesu, se izkaže, da ne ustreza tem absorbiranim valovom, temveč drugim - dodatnim, ki dajejo belo svetlobo, ko se jim dodajo.

Ti vzorci, uveljavljeni v začetku prejšnjega stoletja, so bili posplošeni v letih 1859-1861. Nemška znanstvenika G. Kirchhoff in R. Bunsen, ki sta dokazala, da ima vsak kemični element svoj značilen spekter. To je omogočilo izdelavo vrste elementarne analize - atomske spektralne analize, s katero je mogoče kvantitativno določiti vsebnost različne elemente v vzorcu snovi, ki je v plamenu ali električnem obloku razpadla na atome ali ione. Še pred nastankom kvantitativne različice te metode so jo uspešno uporabljali za »elementarno analizo« nebesnih teles. Spektralna analiza je že v prejšnjem stoletju pomagala preučevati sestavo Sonca in drugih zvezd ter odkriti nekatere elemente, zlasti helij.

S pomočjo spektralne analize je postalo mogoče razlikovati ne le različne kemični elementi, temveč tudi izotope istega elementa, ki običajno dajejo različne spektre. Metoda se uporablja za analizo izotopske sestave snovi in temelji na različnih premikih energijskih nivojev molekul z različnimi izotopi.

Rentgenski žarki, poimenovani po nemškem fiziku W. Roentgenu, ki jih je odkril leta 1895, so eden najkrajših valovnih delov celotnega spektra elektromagnetnega valovanja, ki se nahaja v njem med ultravijolično svetlobo in gama sevanja. Ko atomi absorbirajo rentgenske žarke, se vzbujajo globoki elektroni, ki se nahajajo v bližini jedra in so nanj posebej tesno vezani. Emisija rentgenskih žarkov atomov je, nasprotno, povezana s prehodi globokih elektronov iz vzbujenih energijskih ravni na navadne, stacionarne.

Oba nivoja imata lahko le strogo določeni energiji, odvisno od naboja atomskega jedra. To pomeni, da razlika med temi energijami, enako energiji absorbirani (ali oddani) kvant je odvisen tudi od naboja jedra, emisija vsakega kemičnega elementa v rentgenskem območju spektra pa je značilna za tega elementa niz valov s strogo določenimi frekvencami nihanja.

Rentgenska spektralna analiza, vrsta elementarne analize, temelji na uporabi tega pojava. Široko se uporablja za analizo rud, mineralov ter kompleksnih anorganskih in elementarnih snovi organske spojine.

Obstajajo tudi druge vrste spektroskopije, ki ne temeljijo na sevanju, ampak na absorpciji svetlobnih valov v snovi. Tako imenovane molekularne spektre opazimo praviloma, ko raztopine snovi absorbirajo vidno, ultravijolično oz. infrardeča svetloba; V tem primeru ne pride do razgradnje molekul. Če vidna ali ultravijolična svetloba običajno deluje na elektrone in povzroči, da se dvignejo v nove, vzbujene ravni energije(glej Atom), potem infrardeči (toplotni) žarki, ki nosijo manj energije, vzbujajo samo nihanje medsebojno povezanih atomov. Zato so informacije, ki jih te vrste spektroskopije zagotavljajo kemikom, drugačne. Če iz infrardečega (vibracijskega) spektra spoznajo prisotnost določenih skupin atomov v snovi, potem spektri v ultravijoličnem (in za barvne snovi - v vidnem) območju nosijo informacije o strukturi skupine, ki absorbira svetlobo, kot celota.

Med organskimi spojinami je osnova takih skupin praviloma sistem nenasičenih vezi (glej Nenasičeni ogljikovodiki). Več dvojnih ali trojnih vezi v molekuli, ki se izmenjujejo s preprostimi (z drugimi besedami, kot daljša veriga konjugacija), lažje se vzbujajo elektroni.

Metode molekularne spektroskopije se uporabljajo ne le za določanje strukture molekul, temveč tudi za natančno merjenje količine znana snov v raztopini. Za to so posebej primerni spektri v ultravijoličnem ali vidnem območju. Absorpcijske pasove v tem območju običajno opazimo pri koncentraciji topljenca reda stotink in celo tisočink odstotka. Poseben primer takšne uporabe spektroskopije je kolorimetrična metoda, ki se pogosto uporablja za merjenje koncentracije barvnih spojin.

Atomi nekaterih snovi so tudi sposobni absorbirati radijske valove. Ta sposobnost se pokaže, ko snov postavimo v polje močnega trajnega magneta. Številna atomska jedra imajo svoje magnetni moment- spin in v magnetnem polju se jedra z neenakomerno orientacijo spina izkažejo za energijsko »neenaka«. Tisti, katerih smer vrtenja sovpada s smerjo uporabljenega magnetnega polja, se znajdejo v ugodnejšem položaju, druge usmeritve pa začnejo igrati vlogo "vzbujenih stanj" v odnosu do njih. To ne pomeni, da jedro v ugodnem spinskem stanju ne more preiti v "vzbujeno" stanje; razlika v energijah spinskih stanj je zelo majhna, a vseeno je odstotek jeder v neugodnem energijskem stanju relativno majhen. In močnejše kot je uporabljeno polje, manjše je. Zdi se, da jedra nihata med dvema energijska stanja. In ker frekvenca takšnih nihanj ustreza frekvenci radijskih valov, je možna tudi resonanca - absorpcija izmenične energije elektromagnetno polje z ustrezno frekvenco, kar vodi do močnega povečanja števila jeder v vzbujenem stanju.

To je osnova za delo jedrskih spektrometrov. magnetna resonanca(NMR), ki lahko zazna prisotnost teh snovi atomska jedra, katerega vrtenje je 1/2: vodik 1H, litij 7Li, fluor 19F, fosfor 31P, pa tudi izotopi ogljika 13C, dušika 15N, kisika 17O itd.

Občutljivost takšnih naprav je večja, močnejše so. trajni magnet. Resonančna frekvenca, potrebna za vzbujanje jeder, prav tako narašča sorazmerno z jakostjo magnetnega polja. Služi kot merilo razreda naprave. Spektrometri srednjega razreda delujejo na frekvenci 60-90 MHz (pri snemanju protonskih spektrov); hladnejši - pri frekvenci 180, 360 in celo 600 MHz.

Spektrometri visokega razreda - zelo natančni in zapleteni instrumenti - omogočajo ne le zaznavanje in kvantitativno merjenje vsebnosti določenega elementa, temveč tudi razlikovanje signalov atomov, ki zasedajo kemično "neenake" položaje v molekuli. In s preučevanjem tako imenovane spin-spin interakcije, ki vodi do cepitve signalov v skupine ozkih linij pod vplivom magnetnega polja sosednjih jeder, lahko izvemo veliko zanimivih stvari o atomih, ki obdajajo jedro pod študija. NMR spektroskopija vam omogoča, da pridobite od 70 do 100% informacij, potrebnih na primer za določitev strukture kompleksne organske spojine.

Druga vrsta radijske spektroskopije - elektronska paramagnetna resonanca (EPR) - temelji na dejstvu, da imajo ne samo jedra, ampak tudi elektroni vrtenje 1/2. EPR spektroskopija - Najboljši načinštudije delcev z neparnimi elektroni - prosti radikali. Tako kot spektri NMR tudi spektri EPR omogočajo, da se veliko naučimo ne le o "signalizirajočem" delcu samem, temveč tudi o naravi atomov, ki ga obkrožajo. Instrumenti za spektroskopijo EPR so zelo občutljivi: raztopina, ki vsebuje nekaj stomilijonink mola, običajno zadostuje za snemanje spektra. prosti radikali za 1 l. In naprava z rekordno občutljivostjo, ki jo je nedavno ustvarila skupina sovjetskih znanstvenikov, je sposobna zaznati prisotnost samo 100 radikalov v vzorcu, kar ustreza njihovi koncentraciji približno 10 -18 mol/l.

Ena glavnih metod za analizo kemijske sestave snovi je spektralna analiza. Analiza njegove sestave se izvede na podlagi študije njegovega spektra. Spektralna analiza - uporablja se v razne študije. Z njegovo pomočjo je bil odkrit kompleks kemičnih elementov: He, Ga, Cs. v atmosferi Sonca. Tako kot Rb, In in XI je določena sestava Sonca in večine drugih nebesnih teles.

Aplikacije

Spektralno strokovno znanje, običajno v:

Metalurgija;
Geologija;
kemija;
Mineralogija;
astrofizika;
Biologija;
medicina itd.

Omogoča iskanje v preučevanih predmetih najmanjše količine snovi, ki jo določamo (do 10 - MS) Spektralno analizo delimo na kvalitativno in kvantitativno.

Metode

Metoda ugotavljanja kemijske sestave snovi na podlagi spektra je osnova spektralne analize. Črtni spektri imajo edinstvena osebnost, tako kot človeški prstni odtisi ali vzorec snežink. Edinstvenost vzorcev na koži prsta je velika prednost pri iskanju kriminalca. Zato je zaradi posebnosti vsakega spektra mogoče ugotoviti kemična vsebnost telo z analizo kemijske sestave snovi. Tudi če njegova masa elementa ne presega 10 - 10 g, ga lahko s spektralno analizo zaznamo v sestavi kompleksna snov. To je dokaj občutljiva metoda.

Emisijska spektralna analiza

Emisijska spektralna analiza je niz metod za določanje kemijske sestave snovi iz njenega emisijskega spektra. Osnova metode ugotavljanja kemijske sestave snovi - spektralna preiskava - temelji na vzorcih emisijskih in absorpcijskih spektrov. Ta metoda vam omogoča, da prepoznate milijoninke miligrama snovi.

Obstajajo metode kvalitativnega in kvantitativnega pregleda, v skladu z ustanovo analizna kemija kot predmet, katerega namen je oblikovati metode za ugotavljanje kemijske sestave snovi. Metode za identifikacijo snovi postanejo izjemno pomembne v kvalitativni organski analizi.

Na podlagi linijskega spektra hlapov katere koli snovi je mogoče ugotoviti, kateri kemični elementi so v njeni sestavi, ker vsak kemični element ima svoj specifični emisijski spekter. Ta metoda določanja kemijske sestave snovi se imenuje kvalitativna spektralna analiza.

Rentgenska spektralna analiza

Obstaja še ena metoda za določanje kemična snov, ki se imenuje rentgenska spektralna analiza. Rentgenska spektralna analiza temelji na aktivaciji atomov snovi, ko je ta obsevana z rentgenskimi žarki, ta proces imenujemo sekundarni ali fluorescentni. Aktivacija je možna tudi pri obsevanju z visokoenergijskimi elektroni; v tem primeru se proces imenuje direktno vzbujanje. Kot posledica gibanja elektronov v globljih notranjih elektronske plasti se pojavijo črte rentgensko sevanje.

Wulff-Braggova formula vam omogoča nastavitev valovnih dolžin v sestavi rentgenskega sevanja pri uporabi kristala priljubljene strukture z znana razdalja d. To je osnova metode določanja. Snov, ki jo proučujemo, je bombardirana z elektroni visoke hitrosti. Postavite ga na primer na anodo zložljivega rentgenska cev, kar posledično povzroči, da izžareva značilnost rentgenski žarki ki pade na kristal znana struktura. Po fotografiranju nastalega uklonskega vzorca se izmerijo koti in izračunajo ustrezne valovne dolžine z uporabo formule.

Tehnike

Trenutno vse metode kemična analiza temeljijo na dveh tehnikah. Bodisi pri fizikalnem ali kemijskem preskusu, ki primerja ugotovljeno koncentracijo z njeno mersko enoto:

Fizično

Fizikalna tehnika temelji na metodi korelacije količinske enote komponente s standardom z merjenjem. fizične lastnosti, kar je odvisno od njegove vsebnosti v vzorcu snovi. Funkcionalno razmerje »Nasičenost lastnosti – vsebnost komponente v vzorcu« je določeno s poskusom s kalibracijo sredstev za merjenje dane fizične lastnosti glede na komponento, ki se vgrajuje. Iz kalibracijskega grafa se pridobijo kvantitativni odnosi, zgrajeni v koordinatah: "nasičenost fizične lastnosti - koncentracija vgrajene komponente."

Kemični

Pri metodi korelacije količinske enote komponente s standardom se uporablja kemijska tehnika. Tu se uporabljajo zakoni ohranjanja količine ali mase komponente med kemijskimi interakcijami. Vklopljeno kemijske lastnosti kemične spojine, temelji kemične interakcije. V vzorcu snovi se izvede kemijska reakcija, ki izpolnjuje določene zahteve za določitev želene komponente, in izmeri se prostornina ali masa, vključena v specifično kemijsko reakcijo komponent. Dobimo kvantitativna razmerja, nato zapišemo število ekvivalentov komponente za določeno kemijsko reakcijo ali zakon o ohranitvi mase.

Naprave

Instrumenti za analizo fizikalna in kemična sestava snovi so:

Analizatorji plina;
Alarmi za najvišje dovoljene in eksplozivne koncentracije hlapov in plinov;
Koncentratorji za tekoče raztopine;
Merilniki gostote;
Merilniki soli;
Merilniki vlage in druge naprave, podobne po namenu in popolnosti.

Sčasoma se obseg analiziranih objektov poveča, hitrost in natančnost analize pa se povečata. Ena najpomembnejših instrumentalnih metod za ugotavljanje atomske kemijske sestave snovi je spektralna analiza.

Vsako leto se pojavlja vedno več kompleksov instrumentov za kvantitativno spektralno analizo. Proizvajajo tudi najnaprednejše vrste opreme in metod za snemanje spektra. Spektralni laboratoriji so sprva organizirani v strojništvu, metalurgiji, nato pa še na drugih področjih industrije. Sčasoma se hitrost in natančnost analize povečata. Poleg tega se širi območje analiziranih predmetov. Ena glavnih instrumentalnih metod za določanje atomske kemijske sestave snovi je spektralna analiza.

Uvod………………………………………………………………………………….2

Mehanizem sevanja…………………………………………………………………………………..3

Porazdelitev energije v spektru……………………………………………………….4

Vrste spektrov………………………………………………………………………………………….6

Vrste spektralnih analiz…………………………………………………………7

Zaključek…………………………………………………………………………………..9

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

Uvod

Spekter je razpad svetlobe na sestavne dele, žarke različnih barv.

Metoda za preučevanje kemične sestave različne snovi glede na njihove črtaste emisijske ali absorpcijske spektre imenujemo spektralna analiza. Za spektralno analizo je potrebna zanemarljiva količina snovi. Zaradi hitrosti in občutljivosti je ta metoda nepogrešljiva tako v laboratorijih kot v astrofiziki. Ker vsak kemični element periodnega sistema oddaja značilnost samo zanj linijski spekter emisije in absorpcije, kar omogoča preučevanje kemične sestave snovi. Fizika Kirchhoff in Bunsen sta ga prva poskušala izdelati leta 1859 in zgradila spektroskop. Svetloba je bila vanj spuščena skozi ozko režo, izrezano na enem robu teleskopa (ta cev z režo se imenuje kolimator). Iz kolimatorja so žarki padali na prizmo, prekrito s škatlo, ki je bila na notranji strani obložena s črnim papirjem. Prizma je odbijala žarke, ki so prihajali iz reže. Rezultat je bil spekter. Po tem so okno pokrili z zaveso in na režo kolimatorja postavili prižgan gorilnik. V plamen sveče so izmenično vnašali koščke različnih snovi in nastali spekter gledali skozi drugi teleskop. Izkazalo se je, da žareče pare vsakega elementa proizvajajo žarke strogo določene barve, prizma pa te žarke odklanja na točno določeno mesto, zato nobena barva ne more prikriti drugega. To nam je omogočilo sklep, da je radikal nov način kemijska analiza - glede na spekter snovi. Leta 1861 je Kirchhoff na podlagi tega odkritja dokazal prisotnost številnih elementov v kromosferi Sonca in s tem postavil temelje astrofiziki.

Mehanizem sevanja

Vir svetlobe mora porabiti energijo. Svetloba je elektromagnetno valovanje z valovno dolžino 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Elektromagnetno valovanje oddaja pospešeno gibanje nabitih delcev. Ti nabiti delci so del atomov. Toda brez poznavanja strukture atoma ni mogoče reči ničesar zanesljivega o mehanizmu sevanja. Jasno je le, da v atomu ni svetlobe, tako kot ni zvoka v klavirski struni. Kot struna, ki zazveni šele, ko jo udari kladivo, atomi rodijo svetlobo šele, ko so vzburjeni.

Da atom začne sevati, je treba nanj prenesti energijo. Pri oddajanju atom izgubi prejeto energijo, za neprekinjen sij snovi pa je potreben dotok energije k njenim atomom od zunaj.

Toplotno sevanje. Najenostavnejša in najpogostejša vrsta sevanja je toplotno sevanje, pri katerem se energija, ki jo atomi izgubijo za oddajanje svetlobe, kompenzira z energijo toplotnega gibanja atomov ali (molekul) sevajočega telesa. Višja kot je telesna temperatura, hitreje se gibljejo atomi. Ko hitri atomi (molekule) trčijo drug ob drugega, se del njihove kinetične energije pretvori v energijo vzbujanja atomov, ki nato oddajajo svetlobo.

Toplotni vir sevanja je sonce, pa tudi navadna žarnica z žarilno nitko. Svetilka je zelo priročen, a poceni vir. Samo približno 12 % celotne energije, ki jo sprosti električni tok v žarnici, se pretvori v svetlobno energijo. Toplotni vir svetlobe je plamen. Zrna saj se zaradi energije, ki se sprošča pri zgorevanju goriva, segrejejo in oddajajo svetlobo.

Katodoluminiscenca. Sijaj trdnih snovi, ki ga povzroča obstreljevanje elektronov, imenujemo katodoluminiscenca. Zahvaljujoč katodoluminiscenci zasloni katodnih cevi televizorjev svetijo.

Kemiluminiscenca. Pri nekaterih kemičnih reakcijah, ki sproščajo energijo, se del te energije neposredno porabi za oddajanje svetlobe. Vir svetlobe ostane hladen (ima temperaturo okolja). Ta pojav imenujemo kemioluminiscenca.

Fotoluminiscenca. Svetloba, ki vpade na snov, se delno odbije in delno absorbira. Energija absorbirane svetlobe v večini primerov povzroči le segrevanje teles. Vendar pa nekatera telesa sama začnejo svetiti neposredno pod vplivom sevanja, ki pade nanje. To je fotoluminiscenca. Svetloba vzdraži atome snovi (poveča njihovo notranjo energijo), nakar se sami osvetlijo. Na primer, svetleče barve, ki prekrivajo številne okraske za božična drevesca, po obsevanju oddajajo svetlobo.

Svetloba, oddana med fotoluminiscenco, ima praviloma daljšo valovno dolžino od svetlobe, ki vzbuja sij. To lahko opazimo eksperimentalno. Če usmerite svetlobni žarek na posodo, ki vsebuje fluoresceit (organsko barvilo),

skozi vijolični svetlobni filter začne ta tekočina svetiti z zeleno-rumeno svetlobo, torej svetlobo z daljšo valovno dolžino kot vijolična svetloba.

Pojav fotoluminiscence se pogosto uporablja v fluorescenčnih sijalkah. Sovjetski fizik S.I. Vavilov je predlagal prekrivanje notranje površine razelektritvene cevi s snovmi, ki lahko močno žarijo pod delovanjem kratkovalovnega sevanja plinske razelektritve. Fluorescentne sijalke so približno tri do štirikrat varčnejše od običajnih žarnic z žarilno nitko.

Navedene so glavne vrste sevanja in viri, ki jih ustvarjajo. Najpogostejši viri sevanja so toplota.

Porazdelitev energije v spektru

Na zaslonu za lomno prizmo so monokromatske barve v spektru razporejene v naslednjem vrstnem redu: rdeča (ki ima največjo valovno dolžino vidna svetloba valovna dolžina (k=7,6(10-7 m in najnižja stopnja lom), oranžna, rumena, zelena, cian, indigo in vijolična (z najkrajšo valovno dolžino v vidnem spektru (f = 4 (10-7 m in najvišjo stopnjo lom). Nobeden od virov ne proizvaja monokromatske svetlobe, torej svetlobe strogo določene valovne dolžine. O tem nas prepričajo poskusi razgradnje svetlobe v spekter s pomočjo prizme ter poskusi interference in uklona.

Energija, ki jo svetloba nosi s seboj iz vira, se na določen način porazdeli po valovih vseh dolžin, ki sestavljajo svetlobni žarek. Lahko rečemo tudi, da je energija porazdeljena po frekvencah, saj obstaja preprosta povezava med valovno dolžino in frekvenco: v = c.

Gostota pretoka elektromagnetnega sevanja ali intenziteta / je določena z energijo &W, ki jo je mogoče pripisati vsem frekvencam. Za karakterizacijo frekvenčne porazdelitve sevanja je treba uvesti novo količino: jakost na enoto frekvenčnega intervala. To količino imenujemo spektralna gostota jakosti sevanja.

Spektralno gostoto toka sevanja je mogoče ugotoviti eksperimentalno. Če želite to narediti, morate s prizmo pridobiti spekter sevanja, na primer električnega obloka, in izmeriti gostoto toka sevanja, ki pade na majhne spektralne intervale širine Av.

Navaden termometer je premalo občutljiv, da bi ga lahko uspešno uporabili pri takih poskusih. Za merjenje temperature so potrebni bolj občutljivi instrumenti. Lahko vzamete električni termometer, v katerem je občutljiv element izdelan v obliki tanke kovinske plošče. Ta plošča mora biti prevlečena s tanko plastjo saj, ki skoraj popolnoma absorbira svetlobo katere koli valovne dolžine.

Toplotno občutljivo ploščo naprave je treba postaviti na eno ali drugo mesto v spektru. Celoten vidni spekter dolžine l od rdečih do vijoličnih žarkov ustreza frekvenčnemu intervalu od v cr do y f. Širina ustreza majhnemu intervalu Av. S segrevanjem črne plošče naprave lahko ocenimo gostoto sevalnega toka na frekvenčni interval Av. Če ploščo premikamo po spektru, bomo ugotovili, da je večina energije v rdečem delu spektra in ne v rumeno-zelenem, kot se zdi očesu.

Z izrisom vzdolž abscisne osi vrednosti frekvenc, ki ustrezajo srednjim točkam intervalov Av, in vzdolž ordinatne osi spektralne gostote jakosti sevanja, dobimo število točk, skozi katere lahko narišemo gladko krivuljo. Ta krivulja daje vizualno predstavitev porazdelitve energije in vidnega dela spektra električnega obloka.

Spektralna analiza je metoda za preučevanje kemijske sestave različnih snovi z uporabo njihovih spektrov.

Analiza, izvedena z emisijskimi spektri, se imenuje emisijska spektralna analiza, analiza, izvedena z uporabo absorpcijskih spektrov, pa absorpcijska spektralna analiza.

Emisijska spektralna analiza temelji na naslednjih dejstvih:

1. Vsak element ima svoj spekter (razlikuje se po številu linij, njihovi lokaciji in valovnih dolžinah), ki ni odvisen od metod vzbujanja.

2. Intenzivnost spektralnih črt je odvisna od koncentracije elementa v določeni snovi.

Za izvedbo spektralne analize snovi z neznano kemijsko sestavo je potrebno izvesti dve operaciji: nekako prisiliti atome te snovi, da oddajajo svetlobo s črtastim spektrom, nato to svetlobo razstaviti v spekter in določiti valovne dolžine vrstice, opažene v njem. S primerjavo dobljenega črtastega spektra z znanimi spektri kemičnih elementov periodnega sistema je mogoče ugotoviti, kateri kemični elementi so prisotni v sestavi preučevane snovi. S primerjavo intenzitet različnih črt v spektru je mogoče določiti relativno vsebnost različnih elementov v tej snovi.

Spektralna analiza je lahko kvalitativna in kvantitativna.

Če je snov, ki se proučuje, v plinastem stanju, se za vzbujanje atomov snovi običajno uporablja iskrica. Cev z dvema elektrodama na koncih je napolnjena s preučevanim plinom. Te elektrode so priložene visokonapetostni in v cevi pride do električne razelektritve. Pospešeni udarci elektronov električno polje vodijo do ionizacije in vzbujanja atomov proučevanega plina. Pri prehodih vzbujenih atomov v normalno stanje oddajajo se kvanti svetlobe, značilni za določen element.

Za določitev kemijske sestave snovi, ki se nahaja v trdnem oz tekoče stanje, glede na njegov emisijski spekter, je treba preučevano snov najprej pretvoriti v plinasto stanje in nekako povzroči, da ta plin oddaja svetlobo. Običajno se obločna razelektritev uporablja za izvedbo spektralne analize vzorcev snovi v trdnem stanju. V obločni plazmi se snov pretvori v paro, atomi pa se vzbujajo in ionizirajo. Elektrode, med katerimi se vžge obločna razelektritev, so običajno izdelane iz proučevane snovi (če je kovina) ali iz grafita ali bakra. Ogljik in baker sta izbrana zato, ker imata emisijska spektra njunih atomov v vidnem območju majhno število črt in zato ne povzročata resnih motenj pri opazovanju spektra proučevane snovi. Prah preskusne snovi se vstavi v vdolbino spodnje elektrode.

Literatura

Aksenovich L. A. Fizika v Srednja šola: Teorija. Naloge. Testi: Učbenik. dodatek za ustanove, ki izvajajo splošno izobraževanje. okolje, izobraževanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn .: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - Str. 531-532.