Зміст

Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .2 < p> Механізм випромінювання ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3

Розподіл енергії в спектрі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .4

Види спектрів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6

Види спектральних аналізів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7

Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 9

Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11

Введення

Спектр - це розкладання світла на складові частини, промені різних кольорів.
Метод дослідження хімічного складу різних речовин по лінійчатих їхспектрами випускання або поглинання називають спектральним аналізом. Дляспектрального аналізу потрібно зовсім незначну кількість речовини. Швидкість ічутливість зробили цей метод незамінним як в лабораторіях, так і вастрофізики. Тому що кожен хімічний елемент таблиці Менделєєва випромінюєхарактерний тільки для нього лінійчатий спектр випускання і поглинання, тоце дає можливість досліджувати хімічний склад речовини. Вперше йогоспробували зробити фізики Кирхгоф і Бунзен в 1859 році, спорудившиспектроскоп. Світло пропускався в нього через вузьку щілину, прорізану зодного краю підзорної труби (ця труба з щілиною називається коліматор). Зколіматора промені падали на призму, накриту скринькою, обклеєні зсерединичорним папером. Призма відхиляла у бік промені, які йшли з щілини.
Виходив спектр. Після цього завісили вікно шторою і поставили у щілиниколіматора запалену пальник. У полум'я свічки вводили по черзі шматочкирізних речовин, і дивилися через другу підзорну трубу на що виходитьспектр. Виявлялося, що розпечені пари кожного елемента давали променістрого певного кольору, і призма відхиляла ці промені на строгопевне місце, і ні один колір тому не міг замаскувати іншого. Цедозволило зробити висновок, що знайдений радикально новий спосіб хімічногоаналізу - за спектром речовини. У 1861 Кирхгоф довів на основі цьоговідкриття присутність в хромосфері Сонця ряду елементів, поклавши початокастрофізики.

Механізм випромінювання

Джерело світла має споживати енергію. Світло - це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 4 * 10-7 - 8 * 10-7 м. Електромагнітні хвилі випромінюютьсяпри прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частинки входять вскладу атомів. Але, не знаючи, як влаштований атом, нічого достовірного промеханізмі випромінювання сказати не можна. Ясно лише, що всередині атома немає світлатак само, як у струни рояля немає звуку. Подібно струні, що починає звучатилише після удару молоточка, атоми народжують світ тільки після їх порушення.

Для того щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати енергію.
Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію, і для безперервного світінняречовини необхідний приплив енергії до його атомів ззовні.

Теплове випромінювання. Найбільш простий і розповсюджений вид випромінювання
- Теплове випромінювання, при якому втрати атомами енергії на випромінювання світлакомпенсуються за рахунок енергії теплового руху атомів (молекул)випромінюючого тіла. Чим вища температура тіла, тим швидше рухаються атоми.
Під час зіткнення швидких атомів (молекул) один з одним частина їхкінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, якіпотім випромінюють світло.

Тепловим джерелом випромінювання є Сонце, а також звичайна лампарозжарювання. Лампа дуже зручний, але малоекономічний джерело. Лишеприблизно 12% всієї енергії, що виділяється в лампі електричним струмом,перетвориться в енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум'я.
Крупинки сажі розжарюється за рахунок енергії, що виділяється при згорянніпалива, і випромінюють світло.

Електролюмінесценція. Енергія, необхідна атомів для випромінювання світла,може запозичити і з нетеплових джерел. При розряді в газахелектричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію.
Швидкі електрони зазнають зіткнення з атомами. Частина кінетичноїенергії електронів йде на збудження атомів. Збуджені атоми віддаютьенергію у вигляді світлових хвиль. Завдяки цьому розряд в газі супроводжуєтьсясвітінням. Це і є електролюмінесценція.

Катодолюмінесценція. Савчин твердих тіл, викликане бомбардуваннямїх електронами, називають катодолюмінісенціей. Завдяки катодолюмінесценціісвітяться екрани електронно-променевих трубок телевізорів.

хемілюмінесценції. При деяких хімічних реакціях, що йдуть звиділенням енергії, частина цієї енергії витрачається безпосередньо навипромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температурунавколишнього середовища). Це явище називається хеміолюмінесценкіей.

Фотолюмінесценція. Падаючий на речовину світло частково відбивається, ачастково поглинається. Енергія поглинається світла в більшості випадківвикликає лише нагрівання тел. Однак деякі тіла самі починають світитисябезпосередньо під дією падаючого на нього випромінювання. Це і єФотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини (збільшує їхвнутрішню енергію), після цього вони висвічуються самі. Наприклад,світяться фарби, якими покривають багато ялинкові іграшки, випромінюють світлопісля їх опромінення.

що випромінюється при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшудовжину хвилі, ніж світло, збудливий світіння. Це можна спостерігатиекспериментально. Якщо направити на посудину з флюоресцеітом (органічнийбарвник) світловий пучок,

пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починаєсвітитися зелено - жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі, ніж уфіолетового світла.

Явище фотолюмінесценції широко використовується в лампах денногосвітла. Радянський фізик С. І. Вавилов запропонував покривати внутрішнюповерхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися піддією короткохвильового випромінювання газового розряду. Лампи денногосвітла приблизно в три-чотири рази економічніше звичайних ламп розжарювання.

Перераховано основні види випромінювань і джерела, їх створюють. Найкращіпоширені джерела випромінювання - теплові.

Розподіл енергії в спектрі

На екрані за заломлюючої призмою монохроматичні кольору в спектрірозташовуються в наступному порядку: червоний (що має найбільшу серед хвильвидимого світла довжину хвилі (к = 7,6 (10-7 м і найменший показникзаломлення), оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий
(що має найменшу у видимому спектрі довжину хвилі (ф = 4 (10-7 м і найбільшийпоказник заломлення). Жоден з джерел не дає монохроматичногосвітла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконуютьдосліди по розкладу світла в спектр за допомогою призми, а також досліди зінтерференції і дифракції.

Та енергія, яку несе з собою світло від джерела, визначенимчином розподілена по хвилях всіх довжин, що входять до складу світловогопучка. Можна також сказати, що енергія розподілена по частотах, так якміж довжиною хвилі й частотою існує проста зв'язок: (v = c.

Щільність потоку електромагнітного випромінювання, або інтенсивність /,визначається енергією & W, що припадає на всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами потрібно ввести нову величину:інтенсивність, що припадає на одиничний інтервал частот. Цю величинуназивають спектральної щільністю інтенсивності випромінювання.

спектральну щільність потоку випромінювання можна знайти експериментально.
Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад,електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає наневеликі спектральні інтервали шириною Av.

Покладатися на-віч при оцінці розподілу енергії не можна. Оковолодіє виборчої чутливістю до світла: максимум йогочутливості лежить в жовто-зеленій області спектра. Найкращескористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіхдовжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагріваннятіла. Тому досить виміряти температуру тіла і по ній судити прокількості поглиненої в одиницю часу енергії.

Звичайний термометр має занадто малу чутливість для того,щоб його можна було з успіхом використовувати в таких дослідах. Потрібні більшчутливі прилади для вимірювання температури. Можна взятиелектричний термометр, в якому чутливий елемент виконаний у виглядітонкої металевої пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаромсажі, майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі.

чутливу до нагрівання пластину приладу слід помістити в тойабо інше місце спектру. Всьому мабуть спектру завдовжки l від червоних променів дофіолетових відповідає інтервал частот від vкр до уф. Ширинавідповідає малий інтервал Av. За нагрівання чорної пластини приладуможна судити про щільність потоку випромінювання, що припадає на інтервалчастот Av. Переміщуючи пластину вздовж спектра, ми виявимо, що більшачастина енергії припадає на червону частину спектру, а не на жовто-зелене,як здається на-віч.

За результатами цих дослідів можна побудувати криву залежностіспектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральнащільність інтенсивності випромінювання визначається по температурі пластини, ачастоту неважко знайти, якщо використовується для розкладання світла приладпроградуірован, тобто, якщо відомо, якій частоті відповідає данийділянку спектра.

Відкладаючи по осі абсцис значення частот, відповідних серединаінтервалів Av, а по осі ординат спектральну щільність інтенсивностівипромінювання, ми одержимо ряд точок, через які можна провести плавнукриву. Ця крива дає наочне уявлення про розподіл енергії тавидимої частини спектру електричної дуги.

Спектральні апарати. Для точного дослідження спектрів такіпрості пристосування, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, іпризма, вже недостатні. Необхідні прилади, які дають чіткий спектр, тобтоприлади, добре розділяють хвилі різної довжини і не допускаютьперекриття окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральнимиапаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарата єпризма або дифракційна сітка.

Розглянемо схему пристрою призмових спектрального апарату.
Досліджуване випромінювання надходить спочатку в частину приладу, звануколіматорами. Коліматор представляє собою трубу, на одному кінці якоїє ширма з вузькою щілиною, а на іншому - що збирає лінза. Щілиназнаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому розходиться світловийпучок, що потрапляє на лінзу з щілини, виходить з неї паралельним пучком іпадає на призму.

Так як різних частотах відповідають різні показникизаломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються знапрямку. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзирозташовується екран - матове скло або

фотопластинки. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані,і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожнійчастоті (вузького спектрального інтервалу) відповідає своє зображення.
Всі ці зображення разом і утворюють спектр.

Описаний прилад називається спектрографом. Якщо замість другої лінзи іекрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів,то прилад називається спектроскопії, описаним вище. Призми та інші деталіспектральних апаратів необов'язково виготовляються зі скла. Замістьскла застосовуються і такі прозорі матеріали, як кварц, кам'яна сільта ін

Види спектрів

спектральний склад випромінювання речовин дуже різноманітний. Але,незважаючи на це, всі спектри, як показує досвід, можна розділити накілька типів:

Безперервні спектри. Сонячний спектр або спектр дугового ліхтаряє безперервним. Це означає, що в спектрі представлені хвилі всіхдовжин. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачитирізнокольорову суцільну смугу.

Розподіл енергії по частотах, тобто Спектральна щільністьінтенсивності випромінювання, для різних тіл по-різному. Наприклад, тіло з дужечорною поверхнею випромінює електромагнітні хвилі всіх частот, але кривазалежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частотимає максимум МРІ певній частоті. Енергія випромінювання, що припадаєна дуже малі і дуже великі частоти, мізерно мала. При підвищеннітемператури максимум спектральної щільності випромінювання зміщується в біккоротких хвиль.

Безперервні (чи суцільний) спектри, як показує досвід, дають тіла,що знаходяться в твердому або рідкому стані, а також сильно стиснуті гази. Дляотримання безперервного спектру потрібно нагріти тіло до високої температури.

Характер безперервного спектру і сам факт його існуваннявизначаються не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й усильному ступені залежать від взаємодії атомів один з одним.

Безперервний спектр дає також високотемпературна плазма.
Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою в основному при зіткненніелектронів з іонами.

лінійчатих спектри. Внесемо в бліде полум'я газового пальника шматочоказбесту, змоченого розчином звичайної кухонної солі.

При спостереженні полум'я в спектроскоп на фоні ледь помітногобезперервного спектра полум'я спалахує яскрава жовта лінія. Цю жовту лініюдають пари натрію, які утворюються при розщепленні молекул повареноїсолі в полум'я. Кожен з них - це частокіл кольорових ліній різноїяскравості, розділених широкими темними

смугами. Такі спектри називаються лінійчатих. Наявність лінійчатихспектру означає, що речовина випромінює світло тільки цілком певнихдовжин хвиль (точніше, в певних дуже вузьких спектральних інтервалах).
Кожна лінія має кінцеву ширину.

лінійчатих спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але немолекулярному) стані. У цьому випадку світло випромінюють атоми, якіпрактично не взаємодіють один з одним. Це самий фундаментальний,основний тип спектрів.

Ізольовані атоми випромінюють строго певні довжини хвиль. Зазвичайдля спостереження лінійчатих спектрів використовують світіння парів речовини вполум'я або світіння газового розряду в трубці, наповненою досліджуванимгазом.

При збільшенні щільності атомарного газу окремі спектральнілінії розширюються, і, нарешті, при дуже великому стисненні газу, коливзаємодія атомів стає суттєвим, ці лінії перекривають одинодного, створюючи безперервний спектр.

Смугасті спектри. Смугастий спектр складається з окремих смуг,розділених темними проміжками. За допомогою дуже хорошого спектральногоапарата можна

виявити, що кожна смуга являє собою сукупністьвеликого числа дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатихспектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, непов'язаними або слабко пов'язаними один з одним.

Для спостереження молекулярних спектрів так само, як і для спостереженнялінійчатих спектрів, зазвичай використовують світіння пари в полум'я абосвітіння газового розряду.

Спектри поглинання. Усі речовини, атоми яких знаходяться взбудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія якихпевним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світларечовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускаєхвилі, що відповідають червоного світла, і поглинає всі інші.

Якщо пропускати білий світ крізь холодний, неізлучающій газ, то натлі безперервного спектру джерела з'являються темні лінії. Газ поглинаєнайбільш інтенсивно світло саме тих довжин хвиль, які він випускає всильно нагрітому стані. Темні лінії на тлі безперервного спектру - целінії поглинання, що утворюють в сукупності спектр поглинання.

Існують безперервні, лінійчатих і смугасті спектри випромінювання тастільки ж видів спектрів поглинання.

лінійчатих спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їх структурапрямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, невідчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись з лінійчатихспектрами, ми тим самим робимо перший крок до вивчення будови атомів.
Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали можливість «зазирнути» всередину атома. Тут оптика впритулстикається з атомною фізикою.

Види спектральних аналізів

Головна властивість лінійчатих спектрів полягає в тому, що довжини хвиль
(або частоти) лінійчатих спектру певної речовини залежать тільки відвластивостей ат?? мов цієї речовини, але зовсім не залежать від способузбудження світіння атомів. Атоми

будь-якого хімічного елемента дають спектр, не схожий на спектри всіхінших елементів: вони здатні випромінювати суворо певний набір довжинхвиль.

На цьому заснований спектральний аналіз - метод визначення хімічногоскладу речовини за його спектру. Подібно відбитками пальців у людейлінійчатих спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторністьвізерунків на шкірі пальця часто допомагає знайти злочинця. Точно так самозавдяки індивідуальності спектрів є

можливість визначити хімічний склад тіла. За допомогою спектральногоаналізу можна виявити цей елемент у складі складного речовини. Цедуже чутливий метод.
На даний час відомі наступні види спектральних аналізів - атомнийспектральний аналіз (АСА) (визначає елементний склад зразка з атомних
(іонним) спектрами випускання і поглинання), емісійний АСА (за спектрамивипускання атомів, іонів і молекул, порушених різними джереламиелектромагнітного випромінювання в діапазоні від g-випромінювання до мікрохвильового),атомно-абсорбції СА (здійснюють за спектрами поглинанняелектромагнітного випромінювання аналізованого об'єкта (атомами, молекулами,іонами речовини, що знаходиться в різних агрегатних станах)), атомно -флуоресцентне СА, молекулярний спектральний аналіз (МСА) (молекулярний склад речовин з молекулярною спектрами поглинання,люмінесценції та комбінаційного розсіяння світла.), якісний
МСА (досить встановити наявність або відсутність аналітичних лінійвизначених елементів. За яскравості ліній при візуальному перегляді можнадати грубу оцінку змісту тих або інших елементів у пробі),кількісний МСА (здійснюють порівнянням інтенсивностей двох спектральнихліній в спектрі проби, один з яких належить визначальним елементом,а інша (лінія порівняння) - основного елементу проби, концентраціяякого відома, або спеціально вводиться в відомої концентраціїелементу).

В основі МСА лежить якісне і кількісне порівняння обчисленогоспектру досліджуваного зразка із спектрами індивідуальних речовин.
Відповідно розрізняють якісний і кількісний МСА. У МСАвикористовують різні види молекулярних спектрів, обертальні [спектри вмікрохвильової і довгохвильової інфрачервоної (ІЧ) областях], коливальні іколивальної-обертальні [спектри поглинання і випускання в середній ІЧ -області, спектри комбінаційного розсіяння світла (КРС), спектри ІЧ -флуоресценції], електронні, електронно-коливальні та електронно -коливальної-обертальні [спектри поглинання і пропускання у видимій іультрафіолетової (УФ) областях, спектри флуоресценції]. МСА дозволяєпроводити аналіз малих кількостей (у деяких випадках частки мкг і менше)речовин, що знаходяться в різних агрегатних станах.

Кількісний аналіз складу речовини за його спектру утруднений, такяк яскравість спектральних ліній залежить не тільки від маси речовини, але й відспособу збудження світіння. Так, при низьких температурах багатоспектральні лінії взагалі не з'являються. Однак при дотриманні стандартнихумов збудження свічення можна проводити і кількісний спектральнийаналіз.

Самим точним з перерахованих аналізів є атомно-абсорбції
СА. Методика проведення ААА в порівнянні з іншими методами значно простіше,для нього характерна висока точність визначення не тільки малих, а йвеликих концентрацій елементів у пробах. ААА з успіхом замінює трудомісткіі тривалі хімічні методи аналізу, не поступаючись їм у точності.

Висновок

В даний час визначені спектри всіх атомів і складені таблиціспектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато новихелементи: рубідій, цезій та ін Елементам часто давали назви ввідповідно до кольору найбільш інтенсивних ліній спектра. Рубідій даєтемно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає «небесно-блакитний». Цеколір основних ліній спектру цезію.

Саме за допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонцяі зірок. Інші методи аналізу тут взагалі неможливі. Виявилося, щозірки складаються з тих же самих хімічних елементів, які є і на
Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонце, і лише потімзнайшли в атмосфері Землі. Назва цьогоелемента нагадує про історію його відкриття: слово гелій означає вперекладі «сонячний».

Завдяки порівняльній простоті і універсальності спектральний аналізє основним методом контролю складу речовини в металургії,машинобудуванні, атомної індустрії. За допомогою спектрального аналізувизначають хімічний склад руд і мінералів.

Склад складних, головним чином органічних, сумішей аналізується заїх молекулярною спектрами.

Спектральний аналіз можна проводити не тільки за спектрамивипускання, але і за спектрами поглинання. Саме лінії поглинання в спектрі
Сонця і зірок дозволяють досліджувати хімічний склад цих небесних тіл.
Яскраво світиться поверхня Сонця - фотосфера - дає неперервний спектр.
Сонячна атмосфера поглинає вибірково світло від фотосфери, що призводитьдо появи ліній поглинання на фоні безперервного спектру фотосфери.

Але й сама атмосфера Сонця випромінює світло. Під час сонячних затемнень,коли сонячний диск закрито Місяцем, відбувається звернення ліній спектра. Намісці ліній поглинання в сонячному спектрі спалахують лінії випромінювання.

У астрофізиці під спектральним аналізом розуміють не тільки визначенняхімічного складу зірок, газових хмар і т. д., але і знаходження поспектрами багатьохінших фізичних характеристик цих об'єктів: температури, тиску,швидкості руху, магнітної індукції.

Важливо знати, з чого складаються оточують нас тіла. Винайдено багатоспособів визначення їх складу. Але склад зірок і галактик можна дізнатисятільки за допомогою спектрального аналізу.

експресного методу АСА широко застосовуються в промисловості, сільськомугосподарстві, геології та багатьох інших галузях народного господарства та науки.
Значну роль АСА грає в атомній техніці, виробництві чистихнапівпровідникових матеріалів, надпровідників і т. д. Методами АСАвиконується більше 3/4 всіх аналізів у металургії. За допомогою квантометровпроводять оперативний (протягом 2-3 хв) контроль під час плавки вмартенівському і конвертерному виробництвах. У геології та геологічногорозвідку для оцінки родовищ виробляють близько 8 млн. аналізів на рік.
АСА застосовується для охорони навколишнього середовища та аналізу грунтів, укриміналістиці і медицині, геології морського дна і дослідженні складуверхніх шарів атмосфери, при

поділі ізотопів і визначенні віку і складу геологічних іархеологічних об'єктів і т. д.

Отже, спектральний аналіз застосовується майже в усіх найважливіших сферахлюдської діяльності. Таким чином, спектральний аналіз єодним з найважливіших аспектів розвитку не тільки наукового прогресу, а йсамого рівня життя людини.

Література

Заідель А. Н., Основи спектрального аналізу, М., 1965,
Методи спектрального аналізу, М,, 1962;
Чулановскій В. М., Введення в молекулярний спектральний аналіз, М. - Л.,
1951;
Русанов А. К., Основи кількісного спектрального аналізу руд імінералів. М., 1971