Spektral analiz nedir? Sinyal spektral analizi

Spektral analiz, maddeleri incelemek için en önemli fiziksel yöntemlerden biridir. Spektrumuna dayalı olarak bir maddenin niteliksel ve niceliksel bileşimini belirlemek için tasarlanmıştır.

Kimyacılar, belirli kimyasal elementlerin bileşiklerinin aleve eklendiğinde ona karakteristik renkler verdiğini uzun zamandır biliyorlardı. Böylece sodyum tuzları alevi sarı, bor bileşikleri ise yeşil yapar. Bir maddenin rengi, belirli bir uzunlukta dalgalar yaydığında ya da üzerine gelen beyaz ışığın tüm spektrumundan bu dalgaları emdiğinde oluşur. İkinci durumda, gözle görülebilen renk, bu emilen dalgalara değil, diğerlerine - bunlara eklendiğinde beyaz ışık veren ek dalgalara karşılık gelir.

Geçen yüzyılın başında oluşturulan bu kalıplar, 1859-1861'de genelleştirildi. Her kimyasal elementin kendine özgü bir spektruma sahip olduğunu kanıtlayan Alman bilim adamları G. Kirchhoff ve R. Bunsen. Bu, bir alevde veya elektrikte atomlara veya iyonlara ayrıştırılmış bir madde numunesindeki çeşitli elementlerin içeriğini niceliksel olarak belirlemenin mümkün olduğu bir tür elementel analiz - atomik spektral analiz oluşturmayı mümkün kıldı. ark. Bu yöntemin niceliksel bir versiyonunun oluşturulmasından önce bile, gök cisimlerinin "element analizi" için başarıyla kullanıldı. Geçen yüzyılda zaten spektral analiz, Güneş'in ve diğer yıldızların bileşiminin incelenmesine ve ayrıca bazı elementlerin, özellikle de helyumun keşfedilmesine yardımcı oldu.

Spektral analizin yardımıyla, yalnızca farklı kimyasal elementleri değil aynı zamanda aynı elementin genellikle farklı spektrumlar veren izotoplarını da ayırt etmek mümkün hale geldi. Yöntem, maddelerin izotopik kompozisyonunu analiz etmek için kullanılır ve farklı izotoplara sahip moleküllerin enerji seviyelerindeki farklı kaymalara dayanır.

Adını 1895 yılında keşfeden Alman fizikçi W. Roentgen'den alan X ışınları, ultraviyole ışık ile gama radyasyonu arasında yer alan, elektromanyetik dalgaların tam spektrumunun en kısa dalga boylu kısımlarından biridir. X ışınları atomlar tarafından emildiğinde, çekirdeğin yakınında bulunan ve ona özellikle sıkı bir şekilde bağlanan derin elektronlar uyarılır. Aksine, X ışınlarının atomlar tarafından emisyonu, derin elektronların uyarılmış enerji seviyelerinden sıradan, durağan seviyelere geçişleriyle ilişkilidir.

Her iki seviye de atom çekirdeğinin yüküne bağlı olarak yalnızca kesin olarak tanımlanmış enerjilere sahip olabilir. Bu, emilen (veya yayılan) kuantumun enerjisine eşit olan bu enerjiler arasındaki farkın aynı zamanda çekirdeğin yüküne de bağlı olduğu ve spektrumun X-ışını bölgesindeki her kimyasal elementin radyasyonunun bir dizi olduğu anlamına gelir. Kesin olarak tanımlanmış titreşim frekansları ile bu elemanın karakteristik dalgalarının.

Bir tür element analizi olan X-ışını spektral analizi, bu olgunun kullanımına dayanmaktadır. Cevherlerin, minerallerin yanı sıra karmaşık inorganik ve organoelement bileşiklerinin analizinde yaygın olarak kullanılır.

Radyasyona değil, ışık dalgalarının madde tarafından emilmesine dayanan başka spektroskopi türleri de vardır. Kural olarak, maddelerin çözeltileri görünür, ultraviyole veya kızılötesi ışığı emdiğinde moleküler spektrum adı verilen gözlemler gözlemlenir; Bu durumda moleküllerin ayrışması meydana gelmez. Görünür veya ultraviyole ışık genellikle elektronlara etki ederek onların yeni, uyarılmış enerji seviyelerine yükselmesine neden oluyorsa (bkz. Atom), daha az enerji taşıyan kızılötesi (termal) ışınlar yalnızca birbirine bağlı atomların titreşimlerini uyarır. Dolayısıyla bu tür spektroskopilerin kimyagerlere sağladığı bilgiler farklıdır. Kızılötesi (titreşimsel) spektrumdan bir maddedeki belirli atom gruplarının varlığı öğrenilirse, o zaman ultraviyole (ve renkli maddeler için - görünür bölgedeki) spektrumlar, ışık emici grubun yapısı hakkında bilgi taşır. bir bütün.

Organik bileşikler arasında, bu tür grupların temeli kural olarak doymamış bağlardan oluşan bir sistemdir (bkz. Doymamış hidrokarbonlar). Bir molekülde basit olanlarla dönüşümlü olarak ne kadar çok çift veya üçlü bağ varsa (başka bir deyişle konjugasyon zinciri ne kadar uzunsa), elektronlar o kadar kolay uyarılır.

Moleküler spektroskopi yöntemleri sadece moleküllerin yapısını belirlemek için değil aynı zamanda bilinen bir maddenin bir çözelti içindeki miktarını doğru bir şekilde ölçmek için de kullanılır. Ultraviyole veya görünür bölgedeki spektrumlar bunun için özellikle uygundur. Bu bölgedeki soğurma bantları genellikle yüzde yüzde biri ve hatta binde biri düzeyinde bir çözünen madde konsantrasyonunda gözlenir. Böyle bir spektroskopi uygulamasının özel bir durumu, renkli bileşiklerin konsantrasyonunu ölçmek için yaygın olarak kullanılan kolorimetri yöntemidir.

Bazı maddelerin atomları da radyo dalgalarını absorbe etme yeteneğine sahiptir. Bu yetenek, bir madde güçlü bir kalıcı mıknatısın alanına yerleştirildiğinde kendini gösterir. Birçok atom çekirdeğinin kendi manyetik momenti vardır - spin ve eşit olmayan spin yönelimine sahip manyetik alan çekirdeklerinin enerjik olarak "eşitsiz" olduğu ortaya çıkar. Dönme yönleri uygulanan manyetik alanın yönü ile çakışanlar kendilerini daha uygun bir konumda bulurlar ve diğer yönelimler bunlarla ilişkili olarak “uyarılmış durumlar” rolü oynamaya başlar. Bu, uygun bir dönüş durumundaki bir çekirdeğin "uyarılmış" bir duruma geçemeyeceği anlamına gelmez; Dönme durumlarının enerjileri arasındaki fark çok küçüktür, ancak yine de uygun olmayan enerji durumundaki çekirdeklerin yüzdesi nispeten küçüktür. Ve uygulanan alan ne kadar güçlü olursa o kadar küçüktür. Çekirdekler iki enerji durumu arasında salınıyor gibi görünüyor. Ve bu tür salınımların frekansı radyo dalgalarının frekansına karşılık geldiğinden, rezonans da mümkündür - enerjinin alternatif bir elektromanyetik alandan karşılık gelen frekansla emilmesi, uyarılmış bir durumda çekirdek sayısında keskin bir artışa yol açar.

Bu, spini 1/2'ye eşit olan atom çekirdeklerinin bir maddesindeki varlığını tespit edebilen nükleer manyetik rezonans (NMR) spektrometrelerinin çalışmasının temelidir: hidrojen 1H, lityum 7Li, flor 19F, fosfor 31P, ayrıca karbon 13C, nitrojen 15N, oksijen 17O vb. izotopları.

Kalıcı mıknatıs ne kadar güçlü olursa, bu tür cihazların hassasiyeti de o kadar yüksek olur. Çekirdekleri uyarmak için gereken rezonans frekansı da manyetik alan kuvvetiyle orantılı olarak artar. Cihazın sınıfının bir ölçüsü olarak hizmet eder. Orta sınıf spektrometreler 60-90 MHz frekansında çalışır (proton spektrumlarını kaydederken); daha soğuk olanlar - 180, 360 ve hatta 600 MHz frekansında.

Yüksek sınıf spektrometreler - çok doğru ve karmaşık cihazlar - yalnızca belirli bir elementin içeriğini tespit etmeyi ve niceliksel olarak ölçmeyi değil, aynı zamanda molekülde kimyasal olarak "eşit olmayan" konumları işgal eden atomların sinyallerini ayırt etmeyi de mümkün kılar. Ve komşu çekirdeklerin manyetik alanının etkisi altında sinyallerin dar çizgi gruplarına bölünmesine yol açan sözde spin-spin etkileşimini inceleyerek, çekirdeği çevreleyen atomlar hakkında birçok ilginç şey öğrenilebilir. çalışmak. NMR spektroskopisi, örneğin karmaşık bir organik bileşiğin yapısını oluşturmak için gereken bilgilerin% 70 ila 100'ünü elde etmenize olanak tanır.

Başka bir radyo spektroskopi türü - elektron paramanyetik rezonansı (EPR) - yalnızca çekirdeklerin değil, elektronların da 1/2 dönüşe sahip olduğu gerçeğine dayanmaktadır. EPR spektroskopisi, eşleşmemiş elektronlara (serbest radikallere) sahip parçacıkları incelemenin en iyi yoludur. NMR spektrumları gibi, EPR spektrumları da yalnızca "sinyal gönderen" parçacığın kendisi hakkında değil, aynı zamanda onu çevreleyen atomların doğası hakkında da çok şey öğrenmeyi mümkün kılar. EPR spektroskopi cihazları çok hassastır: spektrumu kaydetmek için litre başına birkaç yüz milyonda bir mol serbest radikal içeren bir çözelti genellikle oldukça yeterlidir. Yakın zamanda bir grup Sovyet bilim adamı tarafından yaratılan rekor hassasiyete sahip bir cihaz, bir numunede yalnızca 100 radikalin varlığını tespit etme kapasitesine sahip, bu da bunların yaklaşık 10-18 mol/l konsantrasyonuna karşılık geliyor.

Maddenin kimyasal bileşimi– İnsanoğlunun kullandığı malzemelerin en önemli özelliği. Kesin bilgisi olmadan, endüstriyel üretimdeki teknolojik süreçleri tatmin edici bir doğrulukla planlamak imkansızdır. Son zamanlarda, bir maddenin kimyasal bileşimini belirleme gereklilikleri daha da katı hale geldi: birçok endüstriyel ve bilimsel faaliyet alanı belirli bir "saflıkta" malzemelere ihtiyaç duyuyor - bunlar doğru, sabit bir bileşim için gerekliliklerin yanı sıra katı kısıtlamalardır. yabancı maddelerin safsızlıklarının varlığı. Bu eğilimlerle bağlantılı olarak, maddelerin kimyasal bileşimini belirlemeye yönelik giderek daha ilerici yöntemler geliştirilmektedir. Bunlar, malzemelerin kimyasının doğru ve hızlı bir şekilde incelenmesini sağlayan spektral analiz yöntemini içerir.

Işık fantezisi

Spektral Analizin Doğası

(spektroskopi), maddelerin ışık yayma ve absorbe etme yeteneklerine dayalı olarak kimyasal bileşimini inceler. Her kimyasal elementin, gaz haline indirgenebilmesi koşuluyla, yalnızca kendisine ait bir ışık spektrumu karakteristiğini yaydığı ve emdiği bilinmektedir.

Buna göre, bu maddelerin belirli bir malzemedeki varlığını, kendilerine özgü spektrumlarına dayanarak belirlemek mümkündür. Modern spektral analiz yöntemleri, bir numunede gramın milyarda birine kadar olan bir maddenin varlığını belirlemeyi mümkün kılar - bundan radyasyon yoğunluğu göstergesi sorumludur. Bir atomun yaydığı spektrumun benzersizliği, onun fiziksel yapıyla olan derin ilişkisini karakterize eder.

Görünür ışık radyasyondur 3,8 *10 -7 önce 7,6*10 -7 m, çeşitli renklerden sorumludur. Maddeler, sabit bir enerji kaynağının varlığında yalnızca uyarılmış bir durumda (bu durum artan iç enerji seviyesi ile karakterize edilir) ışık yayabilir.

Fazla enerjiyi alan maddenin atomları, onu ışık şeklinde yayar ve normal enerji durumuna geri döner. Spektral analiz için kullanılan, atomların yaydığı bu ışıktır. En yaygın radyasyon türleri şunlardır: termal radyasyon, elektrolüminesans, katodolüminesans, kemilüminesans.

Spektral analiz. Metal iyonlarıyla alev renklendirme

Spektral analiz türleri

Emisyon ve absorpsiyon spektroskopisi vardır. Emisyon spektroskopisi yöntemi elementlerin ışık yayma özelliklerine dayanmaktadır. Bir maddenin atomlarını uyarmak için, birkaç yüz hatta binlerce dereceye eşit yüksek sıcaklıkta ısıtma kullanılır - bunun için bir madde numunesi bir aleve veya güçlü elektrik deşarjları alanına yerleştirilir. Yüksek sıcaklıkların etkisi altında bir maddenin molekülleri atomlara bölünür.

Aşırı enerji alan atomlar, onu, ortaya çıkan ışık spektrumunu görsel olarak tasvir eden cihazlar olan spektral cihazlar tarafından kaydedilen çeşitli dalga boylarında ışık kuantumu şeklinde yayar. Spektral cihazlar aynı zamanda spektroskopi sisteminin ayırıcı bir elemanı olarak da hizmet eder, çünkü ışık akısı numunede bulunan tüm maddelerden toplanır ve görevleri arasında toplam ışık dizisini bireysel elemanların spektrumlarına bölmek ve bunların yoğunluğunu belirlemek yer alır. gelecekte toplam madde kütlesinde mevcut olan elementin miktarı hakkında sonuçlar çıkarılmasına olanak sağlayacaktır.

• Spektrumu gözlemleme ve kaydetme yöntemlerine bağlı olarak, spektral aletler ayırt edilir: spektrograflar ve spektroskoplar. İlki, spektrumu fotoğraf filmi üzerine kaydeder ve ikincisi, özel tespit dürbünleri aracılığıyla bir kişi tarafından doğrudan gözlem için spektrumun görüntülenmesini mümkün kılar. Boyutları belirlemek için dalga boyunun yüksek doğrulukla belirlenmesine olanak tanıyan özel mikroskoplar kullanılır.
• Işık spektrumu kaydedildikten sonra dikkatli bir analize tabi tutulur. Belirli bir uzunluktaki dalgalar ve spektrumdaki konumları tanımlanır. Daha sonra konumları ile istenen maddelere aitlikleri arasında bir korelasyon yapılır. Bu, dalga konumu verilerinin, kimyasal elementlerin tipik dalga boylarını ve spektrumlarını gösteren metodolojik tablolarda yer alan bilgilerle karşılaştırılması yoluyla yapılır.
• Absorbsiyon spektroskopisi emisyon spektroskopisine benzer şekilde gerçekleştirilir. Bu durumda madde ışık kaynağı ile spektral aparat arasına yerleştirilir. Analiz edilen materyalden geçen yayılan ışık, belirli dalga boyları boyunca "dalımlar" (soğurma çizgileri) ile spektral aparata ulaşır - bunlar, incelenen malzemenin emilen spektrumunu oluşturur. Çalışmanın sonraki sırası yukarıdaki emisyon spektroskopisi işlemi için benzerdir.

Spektral Analizin Açılması

Spektroskopinin bilim açısından önemi

Spektral analiz, insanoğlunun, kimyasal maddelerin kaydedilmesine ilişkin geleneksel yöntemlerle belirlenemeyen birçok elementi keşfetmesine olanak tanıdı. Bunlar rubidyum, sezyum, helyum (Güneş spektroskopisi kullanılarak keşfedildi - Dünya'daki keşfinden çok önce keşfedildi), indiyum, galyum ve diğerleri gibi elementlerdir. Bu elementlerin çizgileri, gazların emisyon spektrumlarında tespit edildi ve çalışmaları sırasında tanımlanamadı.

Bunların yeni, şimdiye kadar bilinmeyen unsurlar olduğu ortaya çıktı. Spektroskopinin, sistematik analiz için ana araçlardan biri haline geldiği mevcut metalurji ve makine mühendisliği endüstrilerinin, nükleer endüstrinin ve tarımın oluşumu üzerinde ciddi bir etkisi oldu.

Spektroskopi astrofizikte büyük önem kazanmıştır.

Evrenin yapısının anlaşılmasında muazzam bir sıçramaya neden olmak ve var olan her şeyin, diğer şeylerin yanı sıra Dünya'da bol miktarda bulunan aynı unsurlardan oluştuğu gerçeğinin doğrulanması. Günümüzde spektral analiz yöntemi, bilim adamlarının Dünya'dan milyarlarca kilometre uzakta bulunan yıldızların, bulutsuların, gezegenlerin ve galaksilerin kimyasal bileşimini belirlemesine olanak tanıyor - bu nesneler, doğal olarak, büyük mesafeleri nedeniyle doğrudan analiz yöntemleriyle erişilemez.

Absorbsiyon spektroskopisi yöntemini kullanarak, kendi radyasyonu olmayan uzak uzay nesnelerini incelemek mümkündür. Bu bilgi, uzay nesnelerinin en önemli özelliklerini belirlememize olanak tanır: basınç, sıcaklık, yapısal özellikler ve çok daha fazlası.

Uzak gök cisimlerinin özelliklerini nasıl bildiğimizi hiç düşündünüz mü?

Bu bilgiyi spektral analize borçlu olduğumuzu elbette biliyorsunuzdur. Ancak çoğu zaman bu yöntemin kendisini anlamaya katkısını hafife alıyoruz. Spektral analizin ortaya çıkışı, dünyamızın yapısı ve özelliklerine ilişkin yerleşik birçok paradigmayı alt üst etti.

Spektral analiz sayesinde uzayın ölçeği ve büyüklüğü hakkında fikir sahibi oluyoruz. Onun sayesinde artık Evreni Samanyolu ile sınırlandırmıyoruz. Spektral analiz bize yıldızların büyük çeşitliliğini ortaya çıkardı ve bize onların doğumu, evrimi ve ölümü hakkında bilgi verdi. Bu yöntem neredeyse tüm modern ve hatta gelecekteki astronomik keşiflerin temelini oluşturmaktadır.

Ulaşılamaz olanı öğrenin

İki yüzyıl önce, gezegenlerin ve yıldızların kimyasal bileşiminin bizim için sonsuza kadar bir sır olarak kalacağı genel olarak kabul ediliyordu. Nitekim o yılların zihinlerinde uzay nesneleri bizim için her zaman erişilemez kalacaktır. Sonuç olarak hiçbir zaman herhangi bir yıldızın veya gezegenin örneğini alamayacağız ve onun bileşimini asla bilemeyeceğiz. Spektral analizin keşfi bu yanılgıyı tamamen çürüttü.

Spektral analiz, uzaktaki nesnelerin birçok özelliği hakkında uzaktan bilgi edinmenizi sağlar. Doğal olarak böyle bir yöntem olmadan modern pratik astronomi anlamsızdır.

Gökkuşağının üzerindeki çizgiler

Güneş spektrumundaki koyu çizgiler 1802 yılında mucit Wollaston tarafından fark edilmişti. Ancak kaşifin kendisi bu çizgilere özellikle bağlı değildi. Kapsamlı araştırmaları ve sınıflandırmaları 1814 yılında Fraunhofer tarafından gerçekleştirildi. Deneyleri sırasında Güneş, Sirius, Venüs ve yapay ışık kaynaklarının kendilerine ait çizgileri olduğunu fark etti. Bu, bu çizgilerin yalnızca ışık kaynağına bağlı olduğu anlamına geliyordu. Dünyanın atmosferinden veya optik aletin özelliklerinden etkilenmezler.

Bu çizgilerin doğası 1859'da Alman fizikçi Kirchhoff ve kimyager Robert Bunsen tarafından keşfedildi. Güneş spektrumundaki çizgiler ile çeşitli maddelerin buharlarının emisyon çizgileri arasında bir bağlantı kurdular. Böylece her kimyasal elementin kendine ait spektral çizgilere sahip olduğu konusunda devrim niteliğinde bir keşif yaptılar. Sonuç olarak, herhangi bir nesnenin radyasyonu yoluyla onun bileşimi hakkında bilgi edinilebilir. Spektral analiz böyle doğdu.

Sonraki yıllarda spektral analiz yoluyla birçok kimyasal element keşfedildi. Bunlara ilk olarak Güneş'te keşfedilen ve adını da bu nedenle alan helyum da dahildir. Bu nedenle, otuz yıl sonra Dünya'da keşfedilene kadar başlangıçta yalnızca güneş gazı olduğu düşünülüyordu.

Üç tür spektrum

Spektrumun bu davranışını ne açıklıyor? Cevap radyasyonun kuantum doğasında yatmaktadır. Bilindiği gibi bir atom elektromanyetik enerjiyi soğurduğunda dıştaki elektronu bir üst enerji düzeyine geçer. Radyasyonda da benzer şekilde - daha düşük bir seviyeye. Her atomun enerji seviyelerinde kendi farkı vardır. Dolayısıyla her kimyasal element için benzersiz emilim ve emisyon frekansı.

Gazın yaydığı ve yaydığı frekanslar budur. Aynı zamanda katı ve sıvı cisimler ısıtıldıklarında kimyasal bileşimlerinden bağımsız olarak tam bir spektrum yayarlar. Bu nedenle ortaya çıkan spektrum üç türe ayrılır: sürekli, çizgi spektrumu ve absorpsiyon spektrumu. Buna göre katı ve sıvılardan sürekli bir spektrum, gazlardan ise çizgi spektrumu yayılır. Absorbsiyon spektrumu, sürekli radyasyon bir gaz tarafından emildiğinde gözlemlenir. Başka bir deyişle, çizgi spektrumunun koyu arka planı üzerindeki çok renkli çizgiler, soğurma spektrumunun çok renkli arka planı üzerindeki koyu çizgilere karşılık gelecektir.

Güneş'te gözlemlenen soğurma spektrumu, ısıtılan gazlar ise çizgi spektrumlu radyasyon yaymaktadır. Bu, Güneş'in fotosferinin bir gaz olmasına rağmen optik spektruma karşı şeffaf olmamasıyla açıklanmaktadır. Diğer yıldızlarda da benzer bir tablo görülüyor. İlginçtir ki, tam güneş tutulması sırasında Güneş'in spektrumu çizgili hale gelir. Aslında bu durumda şeffaf dış katmanlardan geliyor.

Spektroskopinin ilkeleri

Optik spektral analiz teknik uygulamada nispeten basittir. Çalışması, incelenen nesnenin radyasyonunun ayrışmasına ve ortaya çıkan spektrumun daha fazla analizine dayanmaktadır. 1671'de Isaac Newton, bir cam prizma kullanarak ışığın ilk "resmi" ayrışmasını gerçekleştirdi. Ayrıca “spektrum” kelimesini bilimsel kullanıma soktu. Aslında Wollaston, ışığı aynı şekilde düzenlerken spektrumda siyah çizgiler fark etti. Spektrograflar da bu prensiple çalışır.

Kırınım ızgaraları kullanılarak ışık ayrışması da meydana gelebilir. Işığın daha ileri analizi çeşitli yöntemler kullanılarak yapılabilir. Başlangıçta bunun için bir gözlem tüpü, ardından bir kamera kullanıldı. Günümüzde ortaya çıkan spektrum yüksek hassasiyetli elektronik cihazlarla analiz edilmektedir.

Şu ana kadar optik spektroskopiden bahsettik. Ancak modern spektral analiz bu aralıkla sınırlı değildir. Bilim ve teknolojinin birçok alanında, radyodan X ışınlarına kadar hemen hemen her tür elektromanyetik dalganın spektral analizi kullanılmaktadır. Doğal olarak bu tür çalışmalar çeşitli yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Çeşitli spektral analiz yöntemleri olmasaydı modern fiziği, kimyayı, tıbbı ve tabii ki astronomiyi bilemezdik.

Astronomide spektral analiz

Daha önce de belirtildiği gibi, spektral çizgilerin incelenmesi Güneş'ten başladı. Bu nedenle spektrum çalışmalarının astronomide hemen uygulamasını bulması şaşırtıcı değildir.

Elbette gökbilimcilerin yapmaya başladığı ilk şey, yıldızların ve diğer kozmik nesnelerin kompozisyonunu incelemek için bu yöntemi kullanmaktı. Böylece her yıldız, atmosferinin sıcaklığını ve bileşimini yansıtan kendi spektral sınıfını elde etti. Güneş sistemindeki gezegenlerin atmosferinin parametreleri de biliniyor. Gökbilimciler, gaz bulutsularının yanı sıra diğer birçok gök cisimleri ve olgularının doğasını anlamaya daha da yaklaştılar.

Ancak spektral analizi kullanarak yalnızca nesnelerin niteliksel bileşimi hakkında bilgi edinemezsiniz.

Hızı ölç

Astronomide Doppler etkisi Astronomide Doppler etkisi

Doppler etkisi teorik olarak 1840 yılında Avusturyalı bir fizikçi tarafından geliştirildi ve bu etki ona adını verdi. Bu etki, geçen bir trenin düdüğünü dinleyerek gözlemlenebilir. Yaklaşan bir trenin düdüğünün sesi, hareket eden bir trenin düdüğünden belirgin şekilde farklı olacaktır. Doppler Etkisi teorik olarak kabaca bu şekilde kanıtlanmıştır. Bunun etkisi, gözlemciye göre, hareketli kaynağın dalga boyunun bozulmasıdır. Kaynak uzaklaştıkça artar, yaklaştıkça azalır. Elektromanyetik dalgalar da benzer bir özelliğe sahiptir.

Kaynak uzaklaştıkça emisyon spektrumundaki tüm karanlık bantlar kırmızı tarafa kayar. Onlar. tüm dalga boyları artar. Aynı şekilde kaynak yaklaştığında menekşe tarafına kayarlar. Böylece spektral analize mükemmel bir katkı haline geldi. Artık spektrumdaki çizgilerden daha önce imkansız görünen şeyleri fark etmek mümkündü. Uzay nesnelerinin hızını ölçün, çift yıldızların yörünge parametrelerini, gezegenlerin dönüş hızını ve çok daha fazlasını hesaplayın. “Kırmızıya kayma” etkisi kozmolojide özel bir rol oynadı.

Amerikalı bilim adamı Edwin Hubble'ın keşfi, dünyanın güneş merkezli sisteminin Kopernik tarafından geliştirilmesiyle karşılaştırılabilir. Çeşitli bulutsulardaki Cepheidlerin parlaklığını inceleyerek çoğunun Samanyolu'ndan çok daha uzakta bulunduğunu kanıtladı. Hubble, elde edilen mesafeleri galaksilerin spektrumlarıyla karşılaştırarak ünlü yasasını keşfetti. Buna göre galaksilere olan uzaklık, bizden uzaklaşma hızlarıyla orantılıdır. Her ne kadar kanunu modern fikirlerden biraz farklı olsa da, Hubble'ın keşfi Evrenin ölçeğini genişletti.

Spektral analiz ve modern astronomi

Günümüzde spektral analiz olmadan neredeyse hiçbir astronomik gözlem gerçekleşmemektedir. Onun yardımıyla yeni dış gezegenler keşfedilir ve Evrenin sınırları genişletilir. Spektrometreler Mars gezicilerinde ve gezegenler arası sondalarda, uzay teleskoplarında ve araştırma uydularında taşınır. Aslında spektral analiz olmasaydı modern astronomi olmazdı. Hakkında hiçbir şey bilmediğimiz yıldızların boş, meçhul ışığına bakmaya devam edecektik.

Spektral analiz

Spektral analiz- elektromanyetik radyasyon spektrumu, akustik dalgalar, kütlelerin dağılımı ve temel parçacıkların enerjileri dahil olmak üzere, maddenin radyasyonla etkileşimi spektrumlarının incelenmesine dayanan bir nesnenin bileşiminin niteliksel ve niceliksel olarak belirlenmesi için bir dizi yöntem; vesaire.

Analizin amaçlarına ve spektrum türlerine bağlı olarak, çeşitli spektral analiz yöntemleri ayırt edilir. atomik Ve moleküler Spektral analizler, bir maddenin sırasıyla elementel ve moleküler bileşimini belirlemeyi mümkün kılar. Emisyon ve absorpsiyon yöntemlerinde bileşim, emisyon ve absorpsiyon spektrumlarından belirlenir.

Kütle spektrometrik analizi, atomik veya moleküler iyonların kütle spektrumları kullanılarak gerçekleştirilir ve bir nesnenin izotopik bileşiminin belirlenmesine olanak tanır.

Hikaye

Spektral şeritlerdeki koyu çizgiler uzun zamandır fark ediliyordu, ancak bu çizgilerle ilgili ilk ciddi çalışma ancak 1814'te Joseph Fraunhofer tarafından yapıldı. Onun onuruna bu etkiye “Fraunhofer çizgileri” adı verildi. Fraunhofer, hatların konumlarının stabilitesini belirledi, bunların bir tablosunu derledi (toplamda 574 satır saydı) ve her birine alfasayısal bir kod atadı. Çizgilerin ne optik malzemeyle ne de dünya atmosferiyle ilişkili olmadığı, güneş ışığının doğal bir özelliği olduğu yönündeki sonucu da daha az önemli değildi. Yapay ışık kaynaklarının yanı sıra Venüs ve Sirius'un spektrumlarında da benzer çizgiler keşfetti.

Çok geçmeden en belirgin çizgilerden birinin her zaman sodyum varlığında ortaya çıktığı anlaşıldı. 1859'da G. Kirchhoff ve R. Bunsen, bir dizi deneyden sonra şu sonuca vardılar: her kimyasal elementin kendine özgü bir çizgi spektrumu vardır ve gök cisimlerinin spektrumundan, maddelerinin bileşimi hakkında sonuçlar çıkarılabilir. Bu andan itibaren, kimyasal bileşimin uzaktan belirlenmesi için güçlü bir yöntem olan spektral analiz bilimde ortaya çıktı.

Yöntemi test etmek için 1868'de Paris Bilimler Akademisi, tam güneş tutulması yaklaşmakta olan Hindistan'a bir keşif gezisi düzenledi. Orada, bilim adamları şunları keşfetti: tutulma anında, emisyon spektrumu güneş koronasının soğurma spektrumunun yerini aldığında, tüm karanlık çizgiler, tahmin edildiği gibi, karanlık bir arka plan üzerinde parlak hale geldi.

Her bir çizginin doğası ve kimyasal elementlerle bağlantıları yavaş yavaş açıklığa kavuşturuldu. 1860 yılında Kirchhoff ve Bunsen spektral analiz kullanarak sezyumu ve 1861'de rubidyumu keşfettiler. Ve helyum, Güneş'te Dünya'dan 27 yıl önce keşfedildi (sırasıyla 1868 ve 1895).

Çalışma prensibi

Her bir kimyasal elementin atomları kesin olarak tanımlanmış rezonans frekanslarına sahiptir, bunun sonucunda bu frekanslarda ışık yayarlar veya emerler. Bu, bir spektroskopta, her maddenin karakteristik özelliği olan belirli yerlerde spektrumda çizgilerin (koyu veya açık) görünmesine yol açar. Çizgilerin yoğunluğu maddenin miktarına ve durumuna bağlıdır. Kantitatif spektral analizde, incelenen maddenin içeriği, spektrumdaki çizgilerin veya bantların bağıl veya mutlak yoğunluklarına göre belirlenir.

Optik spektral analiz, göreceli uygulama kolaylığı, analiz için karmaşık numune hazırlamanın bulunmaması ve çok sayıda elementin analizi için gerekli olan az miktarda madde (10-30 mg) ile karakterize edilir.

Atomik spektrumlar (absorbsiyon veya emisyon), numunenin 1000-10000 °C'ye ısıtılmasıyla maddenin buhar durumuna aktarılmasıyla elde edilir. İletken malzemelerin emisyon analizinde atomların uyarılmasının kaynağı olarak bir kıvılcım veya alternatif akım arkı kullanılır; bu durumda numune, karbon elektrotlardan birinin kraterine yerleştirilir. Çözeltileri analiz etmek için çeşitli gazların alevleri veya plazmaları yaygın olarak kullanılır.

Başvuru

Son zamanlarda, atomların uyarılmasına ve bunların indüksiyon deşarjlarının argon plazmasında ve ayrıca bir lazer kıvılcımında iyonlaşmasına dayanan emisyon ve kütle spektrometrik spektral analiz yöntemleri en yaygın hale geldi.

Spektral analiz hassas bir yöntemdir ve analitik kimya, astrofizik, metalurji, makine mühendisliği, jeolojik keşif ve diğer bilim dallarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sinyal işleme teorisinde spektral analiz aynı zamanda bir sinyalin (örneğin ses) frekanslar, dalga sayıları vb. üzerindeki enerji dağılımının analiz edilmesi anlamına da gelir.

Ayrıca bakınız

Wikimedia Vakfı. 2010.

• Baltlar
• Kuzey Han

Diğer sözlüklerde “Spektral analiz” in ne olduğuna bakın:

SPEKTRAL ANALİZ- fiziksel kaliteli yöntemler. .ve miktarlar. Spektrumlarının edinilmesi ve incelenmesine dayanarak bileşimin va cinsinden belirlenmesi. S. a.'nın temeli. Atom ve moleküllerin spektroskopisi, analizin amacına ve spektrum türlerine göre sınıflandırılır. Atomik S.a. (ASA) tanımlar... ... Fiziksel ansiklopedi

Spektral analiz- Bir maddenin bileşiminin, spektrumunun incelenmesine dayalı olarak ölçülmesi Kaynak... Normatif ve teknik dokümantasyon açısından sözlük referans kitabı

Spektral analiz- bkz. Spektroskopi. Jeolojik Sözlük: 2 cilt halinde. M.: Nedra. K. N. Paffengoltz ve diğerleri 1978 tarafından düzenlenmiştir. Spektral analiz ... Jeolojik ansiklopedi

SPEKTRAL ANALİZ- 1860 yılında Bunsen ve Kirchhoff tarafından ortaya atılan bu yöntem, bir maddenin, bir prizmadan bakıldığında (uçma sırasında) fark edilen karakteristik renkli çizgileri aracılığıyla kimyasal olarak incelenmesini ortaya koymuştur. 25.000 yabancı kelimenin açıklaması... Rus dilinin yabancı kelimeler sözlüğü

SPEKTRAL ANALİZ- SPEKTRAL ANALİZ, şu veya bu cisim tarafından ısıtıldığında verilen spektrumların kullanıldığı (bkz. Spektroskopi, spektroskop) analiz yöntemlerinden biri! veya ışınları çözeltilerden geçirirken sürekli bir spektrum verir. İçin… … Büyük Tıp Ansiklopedisi

SPEKTRAL ANALİZ- Bir maddenin bileşiminin optik spektrumu kullanılarak niteliksel ve niceliksel olarak belirlenmesine yönelik fiziksel bir yöntem. Atomik ve moleküler spektral analiz, emisyon (emisyon spektrumlarına dayalı) ve absorpsiyon (spektrumlara dayalı) vardır. Büyük Ansiklopedik Sözlük

Spektral analiz- Serinin karmaşık bir set olarak kabul edildiği, üst üste bindirilmiş harmonik salınımların bir karışımı olan zaman serilerini analiz etmek için matematiksel-istatistiksel bir yöntem. Bu durumda asıl dikkat frekansa verilir... ... Ekonomik ve matematiksel sözlük

SPEKTRAL ANALİZ- fiziksel kimyasalların kalitatif ve kantitatif tayin yöntemleri. herhangi bir maddenin optik spektrumunun elde edilmesine ve incelenmesine dayanan bileşimi. Kullanılan spektrumların niteliğine bağlı olarak aşağıdaki türler ayırt edilir: emisyonlar (emisyon C ... Büyük Politeknik Ansiklopedisi

Spektral analiz- I Spektral analiz, bir maddenin spektrumlarının incelenmesine dayanarak, bir maddenin atomik ve moleküler bileşiminin niteliksel ve niceliksel olarak belirlenmesi için kullanılan fiziksel bir yöntemdir. S. a.'nın fiziksel temeli. Atomların ve moleküllerin spektroskopisi,... ... Büyük Sovyet Ansiklopedisi

Spektral analiz- Makalenin içeriği. I. Bedenlerin parıltısı. Emisyon spektrumu. Güneş spektrumu. Fraunhofer hatları. Prizmatik ve kırınım spektrumları. Prizma ve ızgaranın renk dağılımı. II. Spektroskoplar. Dirsek ve düz spektroskop à görsel direkt.… … Ansiklopedik Sözlük F.A. Brockhaus ve I.A. Efron

Bir maddenin kimyasal bileşimini analiz etmenin ana yöntemlerinden biri spektral analizdir. Bileşiminin analizi, spektrumunun incelenmesine dayanarak gerçekleştirilir. Spektral analiz - çeşitli çalışmalarda kullanılır. Onun yardımıyla bir kimyasal element kompleksi keşfedildi: He, Ga, Cs. Güneş'in atmosferinde. Rb, In ve XI'in yanı sıra Güneş'in ve diğer gök cisimlerinin çoğunun bileşimi de belirlenir.

Uygulamalar

Spektral uzmanlık, aşağıdaki alanlarda yaygındır:

1. Metalurji;
2. Jeoloji;
3. Kimya;
4. Mineraloji;
5. Astrofizik;
6. Biyoloji;
7. tıp vb.

İncelenen nesnelerde belirlenmiş bir maddenin en küçük miktarlarını bulmanızı sağlar (10 - MS'ye kadar). Spektral analiz niteliksel ve niceliksel olarak ikiye ayrılır.

Yöntemler

Bir maddenin kimyasal bileşimini spektruma dayalı olarak belirleme yöntemi, spektral analizin temelidir. Çizgi spektrumları, tıpkı insan parmak izleri veya kar tanelerinin desenleri gibi benzersiz bir kişiliğe sahiptir. Parmağın derisindeki desenlerin benzersizliği, suçluyu aramak için büyük bir avantajdır. Bu nedenle her spektrumun kendine has özellikleri sayesinde, maddenin kimyasal bileşimini analiz ederek vücudun kimyasal içeriğini belirlemek mümkündür. Bir elementin kütlesi 10 - 10 g'ı geçmese bile, spektral analiz kullanılarak karmaşık bir maddenin bileşiminde tespit edilebilir. Bu oldukça hassas bir yöntemdir.

Emisyon spektral analizi

Emisyon spektral analizi, bir maddenin kimyasal bileşimini emisyon spektrumundan belirlemek için kullanılan bir dizi yöntemdir. Bir maddenin kimyasal bileşimini belirleme yönteminin (spektral inceleme) temeli, emisyon spektrumları ve absorpsiyon spektrumlarındaki desenlere dayanmaktadır. Bu yöntem, bir maddenin miligramının milyonda birini tanımlamanıza olanak tanır.

Analitik kimyanın bir konu olarak kurulmasına uygun olarak, amacı bir maddenin kimyasal bileşimini belirlemeye yönelik yöntemleri formüle etmek olan niteliksel ve niceliksel inceleme yöntemleri vardır. Bir maddenin tanımlanmasına yönelik yöntemler, nitel organik analizde son derece önemli hale gelir.

Herhangi bir maddenin buharlarının çizgi spektrumuna dayanarak, bileşiminde hangi kimyasal elementlerin bulunduğunu belirlemek mümkündür, çünkü herhangi bir kimyasal elementin kendine özgü emisyon spektrumu vardır. Bir maddenin kimyasal bileşimini belirlemeye yönelik bu yönteme niteliksel spektral analiz denir.

X-ışını spektral analizi

Bir kimyasalı tanımlamak için X-ışını spektral analizi adı verilen başka bir yöntem daha vardır. X-ışını spektral analizi, ikincil veya floresan adı verilen bir işlem olan X-ışınları ile ışınlandığında bir maddenin atomlarının aktivasyonuna dayanır. Aktivasyon, yüksek enerjili elektronlarla ışınlandığında da mümkündür; bu durumda işleme doğrudan uyarma adı verilir. Elektronların daha derindeki iç elektron katmanlarındaki hareketi sonucunda X-ışını çizgileri ortaya çıkar.

Wulff-Bragg formülü, bilinen bir d mesafesine sahip popüler bir yapıya sahip bir kristal kullanıldığında, X-ışını radyasyonunun bileşimindeki dalga boylarını ayarlamanıza olanak tanır. Bu, belirleme yönteminin temelidir. İncelenen madde yüksek hızlı elektronlarla bombardımana tabi tutulur. Örneğin, sökülebilir bir X-ışını tüpünün anotunun üzerine yerleştirilir ve ardından bilinen bir yapıya sahip bir kristalin üzerine düşen karakteristik X-ışınlarını yayar. Açılar ölçülür ve karşılık gelen dalga boyları, elde edilen kırınım modelinin fotoğraflanmasının ardından formül kullanılarak hesaplanır.

Teknikler

Şu anda, tüm kimyasal analiz yöntemleri iki tekniğe dayanmaktadır. Ya fiziksel testte ya da kimyasal testte belirlenen konsantrasyonun ölçüm birimiyle karşılaştırılması:

Fiziksel

Fiziksel teknik, bir bileşenin bir birim miktarının, madde numunesindeki içeriğine bağlı olan fiziksel özelliğini ölçerek bir standartla ilişkilendirme yöntemine dayanmaktadır. "Özellik doygunluğu - numunedeki bileşen içeriği" işlevsel ilişkisi, belirli bir fiziksel özelliği ölçmek için kullanılan araçların, kurulu bileşene göre kalibre edilmesiyle deneme yoluyla belirlenir. Kalibrasyon grafiğinden, koordinatlarda oluşturulan niceliksel ilişkiler elde edilir: "fiziksel özelliğin doygunluğu - kurulu bileşenin konsantrasyonu."

Kimyasal

Bir bileşenin bir birim miktarının bir standartla ilişkilendirilmesi yönteminde kimyasal bir teknik kullanılır. Burada kimyasal etkileşimler sırasında bir bileşenin miktarının veya kütlesinin korunumu yasaları kullanılır. Kimyasal etkileşimler kimyasal bileşiklerin kimyasal özelliklerine dayanır. Bir maddenin numunesinde, istenen bileşeni belirlemek için belirtilen gereksinimleri karşılayan bir kimyasal reaksiyon gerçekleştirilir ve bileşenlerin spesifik kimyasal reaksiyonunda yer alan hacim veya kütle ölçülür. Nicel ilişkiler elde edilir, daha sonra belirli bir kimyasal reaksiyon için bir bileşenin eşdeğer sayısı veya kütlenin korunumu yasası yazılır.

Cihazlar

Bir maddenin fiziksel ve kimyasal bileşimini analiz etmeye yönelik araçlar şunlardır:

1. Gaz analizörleri;
2. İzin verilen maksimum ve patlayıcı buhar ve gaz konsantrasyonlarına ilişkin alarmlar;
3. Sıvı çözeltiler için yoğunlaştırıcılar;
4. Yoğunluk ölçerler;
5. Tuz ölçerler;
6. Nem ölçerler ve amaç ve bütünlük açısından benzer diğer cihazlar.

Zamanla analiz edilen nesnelerin aralığı artar ve analizin hızı ve doğruluğu artar. Bir maddenin atomik kimyasal bileşimini belirlemeye yönelik en önemli araçsal yöntemlerden biri spektral analizdir.

Kantitatif spektral analiz için her yıl giderek daha fazla cihaz kompleksi ortaya çıkıyor. Ayrıca spektrum kaydı için en gelişmiş ekipman ve yöntemleri de üretiyorlar. Spektral laboratuvarlar başlangıçta makine mühendisliği, metalurji ve daha sonra endüstrinin diğer alanlarında düzenlenir. Zamanla analizin hızı ve doğruluğu artar. Ayrıca analiz edilen nesnelerin alanı da genişliyor. Bir maddenin atomik kimyasal bileşimini belirlemeye yönelik ana araçsal yöntemlerden biri spektral analizdir.