Спектри та спектральний аналіз

Лінійчаті спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, не відчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись з лінійчатими спектрами, ми тим самим робимо перший крок до вивчення будови атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали можливість «зазирнути» всередину атома. Ця наука називається спектральний аналіз.

Спектральний  аналіз

Спектральний  аналіз - метод визначення хімічного складу за його спектром.

Атоми будь-якого хімічного елементу дають  спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати строго певний набір довжин хвиль.

Видима частина сонячного випромінювання при вивченні за допомогою спектроаналізуючих приладів виявляється неоднорідною – в спектрі спостерігаються  лінії поглинання, вперше описані в 1814 році І. Фраунгофером. Спектральний аналіз дозволяє отримати інформацію про склад Сонця, оскільки певний набір спектральних ліній виключно точно характеризує хімічний елемент. Так, за допомогою спостережень спектру Сонця був відкритий гелій. За допомогою спектрального аналізу дізналися, що зірки складаються з тих же самих елементів, які є і на Землі. За допомогою  спектрального аналізу можна виявити даний елемент у складі складної речовини. Завдяки універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомній індустрії.

Види  спектральних аналізів

Головна властивість лінійчатих спектрів полягає  в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійчатих спектру певної речовини залежать тільки відвластивостей атомів цієї речовини, але зовсім не залежать від способу збудження світіння атомів. Атоми будь-якого хімічного елемента дають спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати суворо певний набір довжин хвиль. На цьому заснований спектральний аналіз - метод визначення хімічного складу речовини за його спектру. Подібно відбитками пальців у людей лінійчатих спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторність візерунків на шкірі пальця часто допомагає знайти злочинця. Точно так само завдяки індивідуальності спектрів є можливість визначити хімічний склад тіла. За допомогою спектрального аналізу можна виявити цей елемент у складі складного речовини. Це дуже чутливий метод. На даний час відомі наступні види спектральних аналізів – атомний спектральний аналіз (АСА) (визначає елементний склад зразка з атомних (іонним) спектрами випускання і поглинання), емісійний АСА (за спектрами випускання атомів, іонів і молекул, порушених різними джерелами електромагнітного випромінювання в діапазоні від g-випромінювання до мікрохвильового),атомно-абсорбції СА (здійснюють за спектрами поглинання електромагнітного 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, концентрація якого відома, або спеціально вводиться в відомої концентрації елементу).

В основі МСА лежить якісне і кількісне  порівняння обчисленого спектру досліджуваного зразка із спектрами індивідуальних речовин. Відповідно розрізняють якісний і кількісний МСА. У МСА використовують різні види молекулярних спектрів, обертальні [спектри в мікрохвильовій і довгохвильовій інфрачервоній (ІЧ) областях], коливальні і коливально-обертальні [спектри поглинання і випускання в середній ІЧ -області, спектри комбінаційного розсіяння світла (КРС), спектри ІЧ -флуоресценції], електронні, електронно-коливальні та електронно-коливально-обертальні [спектри поглинання і пропускання у видимій і ультрафіолетової (УФ) областях, спектри флуоресценції]. МСА дозволяє проводити 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, так як яскравість спектральних ліній залежить не тільки від маси речовини, але й від способу збудження світіння. Так, при низьких температурах багатоспектральні лінії взагалі не з'являються. Однак при дотриманні стандартних умов збудження свічення можна проводити і кількісний спектральний аналіз. Самим точним з перерахованих аналізів є атомно-абсорбції СА. Методика проведення АСА в порівнянні з іншими методами значно простіше,для нього характерна висока точність визначення не тільки малих, а й великих концентрацій елементів у пробах. АСА з успіхом замінює трудомісткіі тривалі хімічні методи аналізу, не поступаючись їм у точності.

Спектральні апарати

Для точного  дослідження спектрів такі прості пристосування, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, які дають чіткий спектр, тобто прилади, добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарата є призма або дифракційна сітка.

Розглянемо  схему пристрою призмового спектрального апарату. Досліджуване випромінювання надходить спочатку в частину приладу, звану коліматорами. Коліматор представляє собою трубу, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому, що збирає - лінза. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому розходячись світловий пучок, що потрапляє на лінзу з щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму. Так як різним частотах відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються за напрямком. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або фотопластинки. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузького спектрального інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом і утворюють спектр.

Описаний  прилад називається спектрографом. Якщо замість другої лінзи і екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів,то прилад називається спектроскопом. Призми та інші деталі спектральних апаратів необов'язково виготовляються зі скла. Замість скла застосовуються і такі прозорі матеріали, як кварц, кам'яна сільта ін.

Висновок

В даний  час визначені спектри всіх атомів і складені таблиці спектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нових елементів: рубідій, цезій та ін Елементам часто давали назви відповідно до кольору найбільш інтенсивних ліній спектра. Рубідій дає темно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає «небесно-блакитний». Це колір основних ліній спектру цезію. Саме за допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонцяі і зірок. Інші методи аналізу тут взагалі неможливі. Виявилося, що зірки складаються з тих же самих хімічних елементів, які є і на Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонці, і лише потім знайшли в атмосфері Землі. Назва цього елемента нагадує про історію його відкриття: слово гелій означає в перекладі «сонячний». Завдяки порівняльній простоті і універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомної індустрії. За допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд і мінералів. Склад складних, головним чином органічних, сумішей аналізується за їх молекулярними спектрами. Спектральний аналіз можна проводити не тільки за спектрами випускання, 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 призводить до 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. На місці ліній поглинання в сонячному спектрі спалахують лінії випромінювання.

У астрофізиці  під спектральним аналізом розуміють  не тільки визначення хімічного складу зірок, газових хмар і т. д., але і знаходження по спектрах багатьох інших фізичних характеристик цих об'єктів: температури, тиску, швидкості руху, магнітної індукції.

Важливо знати, з чого складаються оточуючі нас тіла. Винайдено багато способів визначення їх складу. Але склад зірок і галактик можна дізнатися тільки за допомогою спектрального аналізу. Значну роль АСА грає в атомній техніці,виробництві чистихнапівпровідникових матеріалів,надпровідників і т. д. Методами АСА виконується більше 3/4 всіх аналізів у металургії. За допомогою квантометрів проводять оперативний (протягом 2-3 хв) контроль під час плавки в мартенівському і конвертерному виробництвах. У геології та геологічного розвідку для оцінки родовищ виробляють близько 8 млн. аналізів на рік. АСА застосовується для охорони навколишнього середовища та аналізу грунтів, у криміналістиці і медицині, геології морського дна і дослідженні складу верхніх 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 сферах людської діяльності. Таким чином, спектральний аналіз є одним з найважливіших аспектів розвитку не тільки наукового прогресу, а й самого рівня життя людини.

Література

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