Спектральный анализ

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Витебский государственный технологический университет»

РЕФЕРАТ 2

по дисциплине «Основы современного естествознания»

тема: Спектральный анализ

              Выполнила:

              Студентка группы ЗМн-21

              Шифр 081652

              Гугуева Ольга Петровна

              Проверила:

Витебск, 2011

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Введение

Спектр – это разложение света на составные части, лучи разных цветов.

Метод исследования химического состава различных веществ по их линейчатым спектрам испускания или поглощения называют спектральным анализом. Для спектрального анализа требуется ничтожное количество вещества. Быстрота и чувствительность сделали этот метод незаменимым как в лабораториях, так и в астрофизике. Так как каждый химический элемент таблицы Менделеева излучает характерный только для него линейчатый спектр испускания и поглощения, то это дает возможность исследовать химический состав вещества. Впервые его попробовали сделать физики Кирхгоф и Бунзен в 1859 году, соорудив спектроскоп.  Свет пропускался в него через узкую щель, прорезанную с одного края подзорной трубы (эта труба с щелью называется коллиматор). Из коллиматора лучи падали на призму, накрытую ящиком, оклеенным изнутри черной бумагой. Призма отклоняла в сторону лучи, которые шли из щели. Получался спектр. После этого завесили окно шторой и поставили у щели коллиматора зажженную горелку. В пламя свечи вводили поочередно кусочки различных веществ, и смотрели через вторую подзорную трубу на получающийся спектр. Оказывалось, что раскаленные пары каждого элемента давали лучи строго определенного цвета, и призма отклоняла эти лучи на строго определенное место, и ни один цвет поэтому не мог замаскировать другой. Это позволило сделать вывод, что найден радикально новый способ химического анализа – по спектру вещества. В 1861 Кирхгоф доказал на основе этого открытия присутствие в хромосфере Солнца ряда элементов, положив начало астрофизике.

2. Механизм излучения

Источник света должен потреблять  энергию. Свет - это электромагнитные  волны с длиной волны 4*10-7 - 8*10-7 м. Электромагнитные  волны излучаются при ускоренном  движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме  излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей  звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать,  ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения - тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник.  Лишь примерно 12% всей энергии,  выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света. Тепловым  источником света является пламя.  Крупинки сажи раскаляются  за счет энергии, выделяющейся  при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают  соударения с атомами.  Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн.  Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция. 

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой  их электронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны  электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. При некоторых  химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется  на излучение света. Источник света  остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией. 

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается,  а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно  под действием падающего  на него излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает  атомы вещества (увеличивает  их внутреннюю энергию), после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Излучаемый при фотолюминесценции  свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом (органический краситель) световой  пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелено - желтым  светом,    т. е. светом большей  длины волны, чем у фиолетового  света.

Явление фотолюминесценции широко  используется в лампах дневного  света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной  трубки веществами, способными  ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового  разряда. Лампы дневного света примерно в три-четыре раза экономичнее  обычных ламп накаливания.

Перечислены основные виды излучений  и источники, их создающие. Самые распространенные источники излучения - тепловые.

3. Распределение энергии в спектре

На экране за преломляющей призмой монохроматические цвета в спектре располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны (к=7,6(10-7 м и наименьший показатель преломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющий наименьшую в видимом спектре длину волны (ф=4(10-7 м и наибольший показатель преломления). Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. света  строго определенной длины волны.  В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью  призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным  образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. Можно также  сказать, что энергия распределена  по частотам, так как между длиной волны и частотой существует простая связь: ђv = c. 

Плотность потока электромагнитного  излучения, определяется  энергией, приходящейся  на все частоты. Для характеристики  распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся  на единичный интервал частот.  Эту величину называют спектральной  плотностью интенсивности излучения. 

Спектральную плотность потока излучения можно найти экспериментально.  Для этого надо с помощью  призмы получить спектр излучения,  например, электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшие  спектральные интервалы.

Полагаться на глаз при оценке распределения  энергии нельзя. Глаз обладает  избирательной чувствительностью  к свету: максимум его чувствительности  лежит в желто-зеленой области спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почти полностью поглощать  свет всех длин волн. При этом энергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела. Поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии.

Обычный термометр имеет слишком  малую чувствительность для того, чтобы его можно было с успехом  использовать в таких опытах. Нужны более чувствительные приборы  для измерения температуры. Можно взять электрический термометр, в котором  чувствительный элемент выполнен  в виде тонкой металлической  пластины. Эту пластину надо покрыть тонким слоем сажи, почти полностью поглощающей свет любой  длины волны.

4. Спектральные аппараты.

Для точного исследования спектров такие  простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой  пучок, и призма, уже недостаточны.  Необходимы приборы, дающие  четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной  длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является  призма или дифракционная решетка. 

Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение  поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу,  на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом -  собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным  пучком и падает на призму.

Так как разным частотам соответствуют  различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие  по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии  этой линзы располагается экран - матовое стекло или фотопластинка.  Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране,  и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений.  Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная  труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется  спектроскопом, описанным выше. Призмы и другие детали спектральных аппаратов  необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются  и такие прозрачные материалы,  как кварц, каменная соль и др.

5. Виды спектров

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на несколько типов:

Непрерывные спектры. Солнечный  спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены  волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную  полосу.

Распределение энергии по частотам,  т. е. Спектральная плотность  интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности  излучения от частоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения,  приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении  температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного  спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором  обыкновенной поваренной соли.