Спектрален анализ - метод за определяне химичен съставвещества според неговия спектър. Този метод е разработен през 1859 г. от немски учени G.R. Кирхоф и Р.В. Бунзен.
Но преди да обмислите това съвсем сложен въпрос, нека първо да поговорим какво е спектър.
Обхват(Латински спектър „зрение“) във физиката - разпределение на стойностите физическо количество(обикновено енергия, честота или маса). Обикновено спектърът означава електромагнитен спектър- честотен спектър (или същото нещо като квантовите енергии) на електромагнитното излъчване.
Терминът спектър е въведен в научна употреба от Нютонпрез 1671-1672 г. за обозначаване на многоцветна ивица, подобна на дъга, която се получава, когато слънчев лъч преминава през триъгълна стъклена призма. В работата си „Оптика“ (1704) той публикува резултатите от своите експерименти за разлагането на бялата светлина с помощта на призма на отделни компоненти с различни цветове и преломляемост, т.е. получава спектрите на слънчевата радиация и обяснява тяхната природа. Той показа, че цветът е присъщо свойство на светлината и не се въвежда от призма, както твърди Бейкън през 13 век. Всъщност Нютон полага основите на оптичната спектроскопия: в „Оптика“ той описва всичките три метода за разлагане на светлината, използвани днес - пречупване, интерференция(преразпределение на интензитета на светлината в резултат на наслагването на няколко светлинни вълни) и дифракция(вълни, огъващи се около препятствие).
Сега да се върнем към разговора за това какво представлява спектрален анализ.
Това е метод, който предоставя ценна и разнообразна информация за небесните тела. Как се прави? Светлината се анализира, като от анализа на светлината е възможно да се определи качественият и количественият химичен състав на осветителното тяло, неговата температура, наличието и силата на магнитното поле, скоростта на движение по зрителната линия и др.
Спектралният анализ се основава на концепцията, че сложната светлина, когато преминава от една среда в друга (например от въздух към стъкло), се разлага на съставните си части. Ако лъч от тази светлина се насочи към страничната повърхност на тристенна призма, тогава, пречупвайки се в стъклото по различни начини, лъчите, които съставят бялата светлина, ще произведат дъгова ивица на екрана, наречена спектър. В спектъра всички цветове винаги са разположени в определен ред. Ако сте забравили тази поръчка, погледнете снимката.
Призмата като спектрално устройство
В телескопите се използват специални инструменти за получаване на спектъра - спектрографи, инсталиран зад фокуса на обектива на телескопа. В миналото всички спектрографи бяха призматични, но сега те използват a дифракционна решетка
, който също разлага бялата светлина на спектър, той се нарича дифракционен спектър.
Всеки знае, че светлината се разпространява под формата на електромагнитни вълни. Всеки цвят съответства на определена електромагнитна дължина на вълната. Дължината на вълната в спектъра намалява от червени лъчи до виолетови лъчи от приблизително 700 до 400 mmk. Зад виолетовите лъчи на спектъра се крият ултравиолетови лъчи, които не са видими за окото, но действат върху фотографската плака.
Рентгеновите лъчи, използвани в медицината, имат още по-къса дължина на вълната. Земната атмосфера блокира рентгеновото лъчение от небесните тела. Едва наскоро той стана достъпен за изучаване чрез изстрелване на ракети на голяма надморска височина, които се издигат над основния слой на атмосферата. Наблюденията в рентгеновите лъчи се извършват и от автоматични инструменти, инсталирани на междупланетни космически станции.
Зад червените лъчи на спектъра се крият инфрачервени лъчи. Те са невидими, но действат и върху специални фотоплаки. Спектралните наблюдения обикновено означават наблюдения в диапазона от инфрачервен до ултравиолетови лъчи.
За изследване на спектри, инструменти, наречени спектроскоп и спектрограф. Спектърът се изследва в спектроскоп и се снима в спектрограф. Снимката на спектъра се нарича спектрограма.
Видове спектри
Спектър под формата на ирис (твърд или непрекъснат)дават твърди горещи тела (горещи въглища, нажежаема жичка на електрическа лампа) и огромни маси газ под високо налягане. Линеен спектъррадиацията се произвежда от разредени газове и пари при силно нагряване или под въздействието на електрически разряд. Всеки газ има свой собствен набор от излъчвани ярки линии със специфични цветове. Цветът им отговаря на определени дължини на вълните. Те винаги са на едни и същи места в спектъра. Промените в състоянието на газ или неговите условия на светене, например нагряване или йонизация, причиняват определени промени в спектъра на даден газ.
Учените са съставили таблици, изброяващи линиите на всеки газ и указващи яркостта на всяка линия. Например в спектъра на натрия две жълти линии са особено ярки. Установено е, че спектърът на атом или молекула е свързан с тяхната структура и отразява определени промени, които настъпват в тях по време на процеса на светене.
Линеен абсорбционен спектър се произвежда от газове и пари, когато зад тях има ярък и по-горещ източник, даващ непрекъснат спектър. Абсорбционен спектърсе състои от непрекъснат спектър, нарязан от тъмни линии, които се намират на самите места, където трябва да се намират светлите линии, присъщи на даден газ. Например две тъмни абсорбционни линии на натрий са разположени в жълтата част на спектъра.
По този начин спектралният анализ дава възможност да се определи химичният състав на парите, които излъчват или абсорбират светлина; определи дали са в лабораторията или на небесно тяло. Броят на атомите или молекулите, разположени на нашата линия на зрение, излъчващи или поглъщащи, се определя от интензитета на линиите. Колкото повече атоми, толкова по-ярка е линията или толкова по-тъмна е тя в спектъра на поглъщане. Слънцето и звездите са заобиколени от газова атмосфера. Непрекъснатият спектър на тяхната видима повърхност е нарязан от тъмни абсорбционни линии, които се появяват, когато светлината преминава през атмосферата на звездите. Ето защо Спектрите на Слънцето и звездите са спектри на поглъщане.
Но спектралният анализ позволява да се определи химичният състав само на самосветещи или поглъщащи радиация газове. Химичен състав на твърдо или течно тялоне може да се определи чрез спектрален анализ.
Когато едно тяло е нажежено до червено, червената част от непрекъснатия му спектър е най-ярка. При по-нататъшно нагряване най-високата яркост в спектъра преминава в жълтата част, след това в зелената част и т.н. Теорията на светлинното излъчване, проверена експериментално, показва, че разпределението на яркостта по непрекъснатия спектър зависи от телесната температура. Познавайки тази зависимост, можете да определите температурата на Слънцето и звездите. Температурата на планетите и температурата на звездите също се определя с помощта на термоелемент, поставен във фокуса на телескопа. Когато термоелементът се нагрява, в него възниква електрически ток, характеризиращ количеството топлина, идваща от осветителното тяло.
Неотдавна другарят Макейман описа как, използвайки спектрален анализ, можете да разложите определен аудио сигнал на съставните му ноти. Нека се абстрахираме малко от звука и да приемем, че имаме някакъв цифровизиран сигнал, чийто спектрален състав искаме да определим доста точно.
По-долу е даден кратък преглед на метода за извличане на хармоници от произволен сигнал с помощта на цифрово хетеродиниране и малко специална магия на Фурие.
И така, какво имаме?
Файл с проби от цифровизиран сигнал. Известно е, че сигналът е сбор от синусоиди със собствени честоти, амплитуди и начални фази и евентуално бял шум.
И какво ще правим.
Използвайте спектрален анализ, за да определите:
- броят на хармониците в сигнала и за всеки: амплитуда, честота (по-нататък в контекста на броя дължини на вълните на дължина на сигнала), начална фаза;
- наличие/отсъствие на бял шум и, ако има, неговото стандартно отклонение (стандартно отклонение);
- наличие/отсъствие на постоянна компонента на сигнала;
- поставете всичко това в красив PDF отчет с блекджек и илюстрации.
Ние ще решим тази задачав Java.
Материал
Както вече казах, структурата на сигнала е известна: това е сбор от синусоиди и някакъв вид шумов компонент. Случи се така, че за анализ на периодични сигнали в инженерната практика те широко използват мощни математически апарат, обикновено наричан "Анализ на Фурие" . Нека да разгледаме набързо що за животно е това.Малко специално, магия на Фурие
Не толкова отдавна, през 19 век, френският математик Жан Батист Жозеф Фурие показа, че всяка функция, която отговаря на определени условия (непрекъснатост във времето, периодичност, изпълнение на условията на Дирихле), може да бъде разширена в серия, която по-късно получи името му - Редица на Фурие .В инженерната практика декомпозиция периодични функцииСерията на Фурие се използва широко, например, в проблемите на теорията на веригата: несинусоидален входен ефект се разлага на сумата от синусоидални и необходимите параметри на веригата се изчисляват, например, като се използва методът на суперпозиция.
Има няколко възможни вариантизаписвайки коефициентите на реда на Фурие, просто трябва да знаем същността.
Разширението в ред на Фурие ви позволява да разширите непрекъсната функция в сумата от други непрекъснати функции. И като цяло сериалът ще има безкрайно много термини.
Допълнително подобрение на подхода на Фурие е интегрална трансформациясобственото му име. Преобразуване на Фурие
.
За разлика от реда на Фурие, преобразуването на Фурие разширява функция не в дискретни честоти (наборът от честоти на реда на Фурие, за които разширението е, най-общо казано, дискретно), а в непрекъснати.
Нека да разгледаме как коефициентите на реда на Фурие се отнасят към резултата от преобразуването на Фурие, наречено всъщност спектър
.
Малко отклонение: спектърът на преобразуването на Фурие е като цяло сложна функция, която описва комплексни амплитуди
съответните хармоници. Тоест, стойностите на спектъра са комплексни числа, чиито модули са амплитудите на съответните честоти, а аргументите са съответните начални фази. На практика те се разглеждат отделно амплитуден спектър
И фазов спектър
.
Ориз. 1. Съответствие между реда на Фурие и преобразуването на Фурие, използвайки амплитудния спектър като пример.
Лесно е да се види, че коефициентите на реда на Фурие не са нищо повече от стойностите на преобразуването на Фурие в дискретни моментивреме.
Преобразуването на Фурие обаче сравнява една непрекъсната във времето, безкрайна функция с друга, непрекъсната в честотното отношение, безкрайна функция - спектъра. Ами ако нямаме функция, която е безкрайна във времето, а само част от нея, която е записана и дискретна във времето? Отговорът на този въпрос е даден от по-нататъчно развитиетрансформация на Фурие - дискретно преобразуване на Фурие (DFT) .
Дискретното преобразуване на Фурие е предназначено да реши проблема с необходимостта от непрекъснатост и безкрайност във времето на сигнала. По същество ние вярваме, че сме изрязали част от безкрайния сигнал, а останалата част от времевия домейн считаме този сигнал за нула.
Математически това означава, че имайки функция f(t), която е безкрайна във времето, ние я умножаваме по някаква прозоречна функция w(t), която изчезва навсякъде, с изключение на интервала от време, който ни интересува.
Ако „изходът” на класическото преобразуване на Фурие е спектър – функция, то „изходът” на дискретното преобразуване на Фурие е дискретен спектър. И на входа се подават проби от дискретен сигнал.
Останалите свойства на преобразуването на Фурие не се променят: можете да прочетете за тях в съответната литература.
Трябва да знаем само за преобразуването на Фурие на синусоидалния сигнал, което ще се опитаме да намерим в нашия спектър. Като цяло, това е двойка делта функции, които са симетрични около нулевата честота в честотната област.
Ориз. 2. Амплитуден спектър на синусоидален сигнал.
Вече споменах, че най-общо казано не разглеждаме оригиналната функция, а някакъв неин продукт с функцията прозорец. След това, ако спектърът на оригиналната функция е F(w), а прозоречната функция е W(w), тогава спектърът на продукта ще бъде такава неприятна операция като конволюцията на тези два спектъра (F*W)( w) (Теорема за конволюция).
На практика това означава, че вместо делта функция ще видим нещо подобно в спектъра:
Ориз. 3. Ефект на разпространение на спектъра.
Този ефект се нарича още разпространение на спектъра
(англ. spectral leekage). И шумът, който се появява поради разпространението на спектъра, съответно, странични лобове
(Английски sidelobes).
За борба със страничните лобове се използват други, неправоъгълни функции на прозореца. Основната характеристика на "ефективността" на функцията на прозореца е ниво на страничния лоб
(dB). По-долу е дадена обобщена таблица на нивата на страничния лист за някои често използвани функции на прозореца.
Основният проблем в нашия проблем е, че страничните лобове могат да маскират други хармоници, разположени наблизо.
Ориз. 4. Отделни хармонични спектри.
Вижда се, че при сумирането на дадените спектри по-слабите хармоници сякаш се разтварят в по-силните.
Ориз. 5. Ясно се вижда само един хармоник. Не е добре.
Друг подход за борба с разпространението на спектъра е да се извадят от сигнала хармониците, които създават това разпространение.
Тоест, след като установим амплитудата, честотата и началната фаза на хармоника, можем да го извадим от сигнала, като същевременно премахваме съответстващата му „делта функция“, а заедно с нея и генерираните от нея странични лобове. Друг е въпросът как точно да разберете параметрите на желания хармоник. Не е достатъчно просто да се вземат необходимите данни от комплексната амплитуда. Сложните амплитуди на спектъра се формират при цели честоти, но нищо не пречи на хармоника да има частична честота. В този случай комплексната амплитуда изглежда се размива между две съседни честоти и точната й честота, подобно на други параметри, не може да бъде установена.
За да установим точната честота и комплексната амплитуда на желания хармоник, ще използваме техника, широко използвана в много отрасли на инженерната практика - хетеродиниране .
Нека да видим какво се случва, ако умножим входния сигнал по комплексния хармоник Exp(I*w*t). Спектърът на сигнала ще се измести с количество w надясно.
Ще се възползваме от това свойство, като изместим спектъра на нашия сигнал надясно, докато хармоникът стане още по-напомнящ на делта функцията (тоест докато някое местно съотношение сигнал/шум достигне максимум). След това ще можем да изчислим точната честота на желания хармоник, като w 0 – w het, и да я извадим от оригиналния сигнал, за да потиснем ефекта от разпространението на спектъра.
По-долу е показана илюстрация на промяната на спектъра в зависимост от честотата на локалния осцилатор.
Ориз. 6. Вид на амплитудния спектър в зависимост от честотата на локалния осцилатор.
Ще повтаряме описаните процедури, докато изрежем всички налични хармоници и спектърът няма да ни напомня за спектъра на белия шум.
След това трябва да оценим стандартното отклонение на белия шум. Тук няма трикове: можете просто да използвате формулата, за да изчислите стандартното отклонение:
Автоматизирайте го
Време е да автоматизирате извличането на хармоници. Нека повторим алгоритъма още веднъж:1. Търсим глобален пик в амплитудния спектър, над определен праг k.
1.1 Ако не сте го намерили, нека приключим
2. Чрез промяна на честотата на локалния осцилатор, ние търсим честотна стойност, при която максимумът на определено локално съотношение сигнал/шум ще бъде постигнат в определена близост до пика
3. Ако е необходимо, закръглете стойностите на амплитудата и фазата.
4. Извадете от сигнала хармоник с намерената честота, амплитуда и фаза минус честотата на локалния осцилатор.
5. Отидете на точка 1.
Алгоритъмът не е сложен и единственият въпрос, който възниква, е откъде да вземем праговите стойности, над които ще търсим хармоници?
За да се отговори на този въпрос, трябва да се оцени нивото на шума, преди да се изключат хармониците.
Нека изградим функция на разпределение (здравей, математическа статистика), където абсцисната ос ще бъде амплитудата на хармониците, а ординатната ос ще бъде броят на хармониците, които не надвишават по амплитуда тази същата стойност на аргумента. Пример за такава конструирана функция:
Ориз. 7. Хармонична функция на разпределение.
Сега ще построим и функция - плътността на разпределение. Тоест стойностите на крайните разлики от функцията на разпределение.
Ориз. 8. Плътност на хармоничната функция на разпределение.
Абсцисата на максималната плътност на разпределение е амплитудата на хармоника, срещаща се в спектъра най-много пъти. Нека се отдалечим на известно разстояние от пика вдясно и да приемем абсцисата на тази точка за оценка на нивото на шума в нашия спектър. Сега можете да го автоматизирате.
Погледнете част от кода, който открива хармоници в сигнал
публичен ArrayList
Практическа част
Не претендирам да съм експерт по Java и представеното решение може да е под въпрос както по отношение на производителността и потреблението на памет, така и като цяло философията на Java и OOP философията, колкото и да се опитвам да го направя по-добро. Беше написано за няколко вечери като доказателство за концепцията. Тези, които се интересуват, могат да видят изходния код наСпектралния анализ е разделен на няколко независими метода. Сред тях са: инфрачервена и ултравиолетова спектроскопия, атомно-абсорбционен, луминесцентен и флуоресцентен анализ, отражателна и раманова спектроскопия, спектрофотометрия, рентгенова спектроскопия, както и редица други методи.
Абсорбционният спектрален анализ се основава на изследването на абсорбционните спектри на електромагнитното излъчване. Емисионният спектрален анализ се извършва с помощта на емисионните спектри на атоми, молекули или йони, възбудени различни начини.
Атомно-емисионен спектрален анализ
Спектрален анализ често се нарича само атомно-емисионен спектрален анализ, който се основава на изследването на емисионните спектри на свободните атоми и йони в газовата фаза. Провежда се в диапазона на дължината на вълната 150-800 nm. Проба от изследваното вещество се въвежда в източника на радиация, след което в него се извършва изпаряване и дисоциация на молекули, както и възбуждане на получените йони. Те излъчват радиация, която се регистрира от записващото устройство на спектралния уред.
Работа със Spectra
Спектрите на пробите се сравняват със спектрите известни елементи, които могат да бъдат намерени в съответните таблици на спектралните линии. Така се определя съставът на анализираното вещество. Количественият анализ включва концентрацията на даден елемент в аналита. Разпознава се по големината на сигнала, например по степента на потъмняване или оптичната плътност на линиите върху фотографска плака или по интензитета на светлинния поток върху фотоелектрическия приемник.
Видове спектри
Непрекъснат спектър на излъчване се осигурява от вещества в твърдо или течно състояние, както и от плътни газове. В такъв спектър няма прекъсвания, в него са представени вълни с всякаква дължина. Характерът му зависи не само от свойствата на отделните атоми, но и от тяхното взаимодействие помежду си.
Линейчатият емисионен спектър е характерен за веществата в газообразно състояние, докато атомите почти не взаимодействат помежду си. Факт е, че изолирани атоми на един химичен елемент излъчват вълни със строго определена дължина на вълната.
С увеличаването на плътността на газа спектралните линии започват да се разширяват. За наблюдение на такъв спектър се използва сиянието на газов разряд в тръба или пара на вещество в пламък. Ако бялата светлина премине през неизлъчващ газ, тъмните линии в спектъра на поглъщане ще се появят на фона на непрекъснатия спектър на източника. Газът абсорбира най-интензивно светлината с тези дължини на вълните, които излъчва при нагряване.
Министерство на образованието и науката
Република Казахстан
Държавен университет в Караганда
на името на E.A. Букетова
Физически факултет
Катедра по оптика и спектроскопия
по темата за:
Спектри. СЪС спектрален анализ и неговото приложение.
Подготвен от:
студент от група FTRF-22
Ахтариев Дмитрий.
Проверено:
учител
Кусенова Асия Сабиргалиевна
Караганда - 2003г Планирайте
Въведение
1. Енергия в спектъра
2. Видове спектри
3. Спектрален анализ и неговото приложение
4. Спектрални устройства
5. Спектър на електромагнитното излъчване
Заключение
Списък на използваната литература
Въведение
Изследването на линейния спектър на дадено вещество ни позволява да определим кое химически елементисе състои и в какво количество всеки елемент се съдържа в дадено вещество.
Количественото съдържание на елемента в тестовата проба се определя чрез сравняване на интензитета отделни редовеспектър на този елемент с интензитета на линиите на друг химичен елемент, чието количествено съдържание в пробата е известно.
Метод за определяне на качеството и количествен съставАнализът на веществото по неговия спектър се нарича спектрален анализ. Спектралният анализ се използва широко в проучването на полезни изкопаеми за определяне на химичния състав на рудни проби. В промишлеността спектралният анализ дава възможност да се контролира съставът на сплавите и примесите, въведени в металите, за да се получат материали с определени свойства.
Предимствата на спектралния анализ са висока чувствителности скоростта на постигане на резултати. С помощта на спектрален анализ е възможно да се открие наличието на злато в проба с тегло 6 * 10 -7 g с маса от само 10 -8 g. Определянето на марката на стоманата по метода на спектралния анализ може да се извърши в няколко десетки секунди.
Спектралният анализ дава възможност да се определи химичният състав на небесните тела, разположени на милиарди светлинни години от Земята. Химическият състав на атмосферите на планети и звезди, студен газ в междузвездното пространство се определя от абсорбционните спектри.
Изследвайки спектрите, учените успяха да определят не само химичния състав на небесните тела, но и тяхната температура. По изместването на спектралните линии може да се определи скоростта на движение на небесното тяло.
Енергия в спектъра.
Източникът на светлина трябва да консумира енергия. Светлината е електромагнитни вълни с дължина на вълната 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Електромагнитните вълни се излъчват, когато ускорено движениезаредени частици. Тези заредени частици са част от атомите. Но без да знаем как е устроен атомът, нищо надеждно не може да се каже за механизма на излъчване. Ясно е само, че вътре в атома няма светлина, както няма звук в струната на пиано. Подобно на струна, която започва да звучи едва след като бъде ударена с чук, атомите раждат светлина едва след като са развълнувани.
За да започне един атом да излъчва, към него трябва да се пренесе енергия. Когато излъчва, атомът губи енергията, която получава, а за непрекъснатото светене на веществото е необходим приток на енергия към неговите атоми отвън.
Топлинно излъчване.Най-простият и най-разпространен вид излъчване е топлинното излъчване, при което енергията, загубена от атомите за излъчване на светлина, се компенсира от енергията на топлинното движение на атомите или (молекулите) на излъчващото тяло. Колкото по-висока е телесната температура, толкова по-бързо се движат атомите. Когато бързите атоми (молекули) се сблъскат един с друг, част от тях кинетична енергиясе превръща в енергия на възбуждане на атоми, които след това излъчват светлина.
Топлинният източник на радиация е Слънцето, както и обикновена лампа с нажежаема жичка. Лампата е много удобен, но евтин източник. Само около 12% от общата енергия, освободена от електрическия ток в лампата, се превръща в светлинна енергия. Топлинният източник на светлина е пламък. Зърната от сажди се нагряват поради енергията, отделена при изгарянето на горивото, и излъчват светлина.
Електролуминесценция.Енергията, необходима на атомите за излъчване на светлина, може да идва и от нетермични източници. По време на разряд в газовете електрическото поле придава по-голяма кинетична енергия на електроните. Бързите електрони изпитват сблъсъци с атоми. Част от кинетичната енергия на електроните отива за възбуждане на атоми. Възбудените атоми освобождават енергия под формата на светлинни вълни. Поради това изхвърлянето в газа е придружено от блясък. Това е електролуминесценция.
Катодолуминесценция.Светенето на твърдите тела, причинено от бомбардирането на електрони, се нарича катодолуминесценция. Благодарение на катодолуминесценцията екраните на електроннолъчевите тръби на телевизорите светят.
Хемилуминесценция.При някои химични реакции, които освобождават енергия, част от тази енергия се изразходва директно за излъчване на светлина. Източникът на светлина остава студен (има температура заобикаляща среда). Това явление се нарича хемиолуминесценция.
Фотолуминесценция.Светлината, падаща върху вещество, се отразява частично и частично се абсорбира. Енергията на погълнатата светлина в повечето случаи предизвиква само нагряване на телата. Въпреки това, някои тела сами започват да светят директно под въздействието на падаща върху тях радиация. Това е фотолуминесценция. Светлината възбужда атомите на материята (увеличава техния вътрешна енергия), след което самите те се маркират. Например, светещите бои, които покриват много украси за коледно дърво, излъчват светлина, след като бъдат облъчени.
Светлината, излъчвана по време на фотолуминесценцията, като правило има по-голяма дължина на вълната от светлината, която възбужда сиянието. Това може да се наблюдава експериментално. Ако светлинен лъч, преминал през виолетов филтър, се насочи към съд с флуоресцеит (органично багрило), тогава тази течност започва да свети със зелено-жълта светлина, т.е. светлина с по-голяма дължина на вълната от тази на лилава светлина.
Явлението фотолуминесценция се използва широко във флуоресцентните лампи. съветски физикС. И. Вавилов предложи покриване на вътрешната повърхност на газоразрядната тръба с вещества, способни да светят ярко под действието на късовълново излъчване от газов разряд. Флуоресцентните лампи са приблизително три до четири пъти по-икономични от обикновените лампи с нажежаема жичка.
Изброени са основните видове радиация и източниците, които ги създават. Най-често срещаните източници на радиация са термичните.
Разпределение на енергията в спектъра.Нито един от източниците не произвежда монохроматична светлина, тоест светлина със строго определена дължина на вълната. В това сме убедени от експерименти за разлагане на светлината в спектър с помощта на призма, както и експерименти за интерференция и дифракция.
Енергията, която светлината носи със себе си от източника, се разпределя по определен начин върху вълните с всякаква дължина, които образуват светлинния лъч. Можем също да кажем, че енергията се разпределя по честоти, тъй като има разлика между дължина на вълната и честота. проста връзка: ђv = c.
Плътността на потока на електромагнитното излъчване, или интензитетът /, се определя от енергията &W, която се приписва на всички честоти. За да се характеризира честотното разпределение на радиацията, е необходимо да се въведе нова величина: интензитетът на единица честотен интервал. Тази величина се нарича спектрална плътност на интензитета на излъчване.
Плътността на спектралния радиационен поток може да се намери експериментално. За да направите това, трябва да използвате призма, за да получите емисионния спектър, например електрическа дъга, и измерване на плътността на радиационния поток, попадаща в малки спектрални интервали с ширина Av.
Не можете да разчитате на окото си, за да оцените разпределението на енергията. Окото има селективна чувствителност към светлина: максималната му чувствителност се намира в жълто-зелената област на спектъра. Най-добре е да се възползвате от свойството на черното тяло да поглъща почти напълно светлина от всички дължини на вълната. В този случай радиационната енергия (т.е. светлината) причинява нагряване на тялото. Следователно е достатъчно да се измери телесната температура и от нея да се съди за количеството енергия, погълната за единица време.
Обикновеният термометър е твърде чувствителен, за да се използва успешно в такива експерименти. Необходими са по-чувствителни инструменти за измерване на температурата. Можете да вземете електрически термометър, в който чувствителен елементизработени под формата на тънка метална плоча. Тази плоча трябва да бъде покрита с тънък слой сажди, който почти напълно абсорбира светлина с всякаква дължина на вълната.
Топлочувствителната пластина на устройството трябва да бъде поставена на едно или друго място в спектъра. Целият видим спектър с дължина l от червени до виолетови лъчи съответства на честотния интервал от v cr до y f. Ширината съответства на малък интервал Av. Чрез нагряване на черната пластина на устройството може да се прецени плътността на радиационния поток за честотен интервал Av. Премествайки плочата по спектъра, ще открием, че по-голямата част от енергията е в червената част на спектъра, а не в жълто-зелената, както изглежда на окото.
Въз основа на резултатите от тези експерименти е възможно да се построи крива на зависимостта на спектралната плътност на интензитета на излъчване от честотата. Спектралната плътност на интензитета на излъчване се определя от температурата на плочата, а честотата не е трудна за намиране, ако устройството, използвано за разлагане на светлината, е калибрирано, тоест ако се знае на каква честота съответства дадена част от спектъра. да се.
Като начертаем по абсцисната ос стойностите на честотите, съответстващи на средните точки на интервалите Av, и по ординатната ос спектралната плътност на интензитета на излъчване, получаваме редица точки, през които можем да начертаем гладка крива. Тази крива дава визуално представяневърху разпределението на енергията и видимата част от спектъра на електрическата дъга.
Видове спектри.
Спектрален състав на радиацията различни веществамного разнообразни. Но въпреки това всички спектри, както показва опитът, могат да бъдат разделени на три типа, които са много различни един от друг.
Непрекъснати спектри.
Слънчевият спектър или спектърът на дъговата светлина е непрекъснат. Това означава, че спектърът съдържа вълни с всички дължини на вълната. В спектъра няма прекъсвания, а на екрана на спектрографа се вижда непрекъсната многоцветна ивица.
Разпределението на енергията по честоти, т.е. спектралната плътност на интензитета на излъчване, е различно за различните тела. Например, тяло с много черна повърхност излъчва електромагнитни вълни с всички честоти, но кривата на зависимостта на спектралната плътност на интензитета на излъчване от честотата има максимум при определена честота. Енергията на излъчване при много ниски и много високи честоти е незначителна. С повишаване на температурата максималната спектрална плътност на радиацията се измества към по-къси вълни.
Непрекъснати (или непрекъснати) спектри, както показва опитът, се дават от тела в твърдо или течно състояние, както и силно компресирани газове. За да се получи непрекъснат спектър, тялото трябва да се нагрее до висока температура.
Естеството на непрекъснатия спектър и самият факт на неговото съществуване се определят не само от свойствата на отделните излъчващи атоми, но и до голяма степен зависят от взаимодействието на атомите помежду си.
Непрекъснат спектър се произвежда и от високотемпературна плазма. Електромагнитните вълни се излъчват от плазмата главно при сблъсък на електрони с йони.
Линейни спектри.
Нека добавим парче азбест, навлажнено с разтвор на обикновена вода в бледия пламък на газова горелка. трапезна сол. При наблюдение на пламък през спектроскоп ярко жълта линия ще мига на фона на едва видимия непрекъснат спектър на пламъка. Тази жълта линия се произвежда от натриеви пари, които се образуват, когато молекулите на трапезната сол се разграждат в пламък. На спектроскопа можете също да видите палисада от цветни линии с различна яркост, разделени от широки тъмни ивици. Такива спектри се наричат управлявал. Наличието на линеен спектър означава, че веществото излъчва светлина само при определени дължини на вълната (по-точно в определени много тесни спектрални интервали). Всяка линия има крайна ширина.
Линейните спектри дават всички вещества в газообразни атомни (но не молекулярно) състояние.В този случай светлината се излъчва от атоми, които практически не взаимодействат помежду си. Това е най-фундаменталният, основен тип спектри.
Изолираните атоми на даден химичен елемент излъчват строго определени дължини на вълните.
Обикновено, за да се наблюдават линейни спектри, се използва сиянието на парите на вещество в пламък или сиянието на газов разряд в тръба, пълна с изследвания газ.
С увеличаването на плътността на атомния газ отделните спектрални линии се разширяват и накрая при много висока плътностгаз, когато взаимодействието на атомите стане значително, тези линии се припокриват една с друга, образувайки непрекъснат спектър.
Раирани спектри.
Лентовият спектър се състои от отделни ивици, разделени от тъмни интервали. С помощта на много добър спектрален апарат може да се установи, че всяка лента представлява колекция голямо числомного близко разположени линии. За разлика от линейните спектри, ивичните спектри се създават не от атоми, а от молекули, които не са свързани или са слабо свързани една с друга.
За наблюдение на молекулни спектри, както и за наблюдение на линейни спектри, обикновено се използва сиянието на пара в пламък или сиянието на газов разряд.
Абсорбционни спектри.
Всички вещества, чиито атоми са във възбудено състояние, излъчват светлинни вълни, чиято енергия е разпределена по определен начин по дължини на вълните. Поглъщането на светлина от дадено вещество също зависи от дължината на вълната. Така червеното стъкло пропуска вълни, съответстващи на червената светлина (l»8·10 -5 cm), и поглъща всички останали.
Ако прекарате бяла светлина през студен, неизлъчващ газ, се появяват тъмни линии на фона на непрекъснатия спектър на източника. Газът абсорбира най-интензивно светлината с точно тези дължини на вълната, които излъчва при силно нагряване. Тъмните линии на фона на непрекъснат спектър са абсорбционни линии, които заедно образуват абсорбционен спектър.
Има непрекъснати, линейни и ивични емисионни спектри и същия брой видове спектри на абсорбция.
Важно е да знаем от какво са изградени телата около нас. Изобретени са много методи за определяне на техния състав. Но съставът на звездите и галактиките може да се определи само с помощта на спектрален анализ.
Спектрален анализ и неговите приложения
Линейните спектри играят особено важна роля, тъй като тяхната структура е пряко свързана със структурата на атома. В крайна сметка тези спектри са създадени от атоми, които не изпитват външни влияния. Следователно, като се запознаем с линейните спектри, ние правим първата стъпка към изучаване на структурата на атомите. Наблюдавайки тези спектри, учените успяха да „погледнат“ вътре в атома. Тук оптиката влиза в тясна връзка с атомната физика.
Основното свойство на линейните спектри е това дължините на вълните (или честотите) на линейния спектър на дадено вещество зависят само от свойствата на атомите на това вещество, но са напълно независими от метода на възбуждане на сиянието на атомите. Атомите на всеки химичен елемент произвеждат спектър, който е различен от спектрите на всички други елементи: те са способни да излъчват строго определен набор от дължини на вълните.
Въз основа на това спектрален анализ- метод за определяне на химичния състав на веществото от неговия спектър. Подобно на човешките пръстови отпечатъци, линейните спектри имат уникална индивидуалност. Уникалността на шарките върху кожата на пръста често помага да се намери престъпникът. По същия начин, благодарение на индивидуалността на спектрите, е възможно да се определи химичният състав на тялото. Използвайки спектрален анализ, можете да откриете този елементкато част от сложно веществодори ако масата му не надвишава 10 -10. Това е много чувствителен метод.
Количественият анализ на състава на веществото въз основа на неговия спектър е труден, тъй като яркостта на спектралните линии зависи не само от масата на веществото, но и от метода на възбуждане на сиянието. Така при ниски температури много спектрални линии изобщо не се появяват. Въпреки това, при стандартни условия за възбуждане на сиянието, може да се извърши и количествен спектрален анализ.
В момента са определени спектрите на всички атоми и са съставени таблици на спектрите. С помощта на спектралния анализ бяха открити много нови елементи: рубидий, цезий и др. Елементите често получаваха имена в съответствие с цвета на най-интензивните линии в спектъра. Рубидият произвежда тъмночервени, рубинени линии. Думата цезий означава "небесносин". Това е цветът на основните линии на спектъра на цезия.
С помощта на спектрален анализ беше научен химическият състав на Слънцето и звездите. Други методи за анализ тук обикновено са невъзможни. Оказа се, че звездите се състоят от същите химически елементи, които се намират на Земята. Любопитно е, че първоначално хелият е открит в Слънцето и едва след това е открит в земната атмосфера. Името на този елемент припомня историята на откриването му: думата хелийв превод означава "слънчево".
Поради сравнителната си простота и гъвкавост, спектралният анализ е основният метод за наблюдение на състава на веществото в металургията, машиностроенето и ядрената индустрия. С помощта на спектрален анализ се определя химичният състав на рудите и минералите.
Съставът на сложни, предимно органични, смеси се анализира чрез техните молекулни спектри.
Спектрален анализ може да се извърши не само от емисионни спектри, но и от спектри на абсорбция. Именно абсорбционните линии в спектъра на Слънцето и звездите позволяват да се изследва химичният състав на тези небесни тела. Ярък светеща повърхностФотосферата на слънцето осигурява непрекъснат спектър. слънчева атмосфераселективно абсорбира светлината от фотосферата, което води до появата на абсорбционни линии на фона на непрекъснатия спектър на фотосферата.
Но самата атмосфера на Слънцето излъчва светлина. По време на слънчеви затъмнения, Кога слънчев диске блокиран от Луната, линиите на спектъра са обърнати. На мястото на абсорбционните линии в слънчев спектъремисионните линии мигат.
В астрофизиката спектралният анализ означава не само определяне на химическия състав на звезди, газови облаци и т.н., но и намиране на много други неща от спектрите физически характеристикитези обекти: температура, налягане, скорост, магнитна индукция.
В допълнение към астрофизиката, спектралният анализ се използва широко в съдебната медицина за изследване на доказателства, открити на местопрестъплението. Освен това спектралният анализ в съдебната медицина е много полезен за идентифициране на оръжието на убийството и като цяло за разкриване на някои от детайлите на престъплението.
Спектралния анализ се използва още по-широко в медицината. Тук приложението му е много голямо. Може да се използва за диагностика, както и за идентифициране на чужди вещества в човешкото тяло.
Спектралния анализ напредва не само в науката, но и публична сферачовешка дейност.
Спектралния анализ изисква специални спектрални инструменти, които ще разгледаме по-нататък.
Спектрални устройства
За прецизни изследвания Spectra такива прости устройства като тесен процеп, ограничаващ светлинния лъч, и призма вече не са достатъчни. Необходими са инструменти, които осигуряват ясен спектър, т.е. инструменти, които могат добре да разделят вълни с различна дължина и да не позволяват отделни части от спектъра да се припокриват. Такива устройства се наричат спектрални устройства. Най-често основната част от спектралния апарат е призма или дифракционна решетка.
Нека разгледаме проектната диаграма на призмен спектрален апарат. Изследваното лъчение първо влиза в част от устройството, наречена колиматор. Колиматорът представлява тръба, в единия край на която има екран с тясна междина, а от другата има събирателна леща. Прорезът е на фокусното разстояние на обектива. Следователно падащ върху лещата от процепа падащ върху лещата светлинен лъч излиза от нея като паралелен лъч и пада върху призмата.
Тъй като различните честоти съответстват различни показателипречупване, тогава от призмата излизат успоредни лъчи, които не съвпадат по посока. Те падат върху обектива. На фокусното разстояние на този обектив има екран - матирано стъкло или фотоплака. Обективът фокусира успоредни снопове лъчи върху екрана и вместо едно изображение на процепа се получава цяла поредица от изображения. Всяка честота (тесен спектрален интервал) има свой образ. Всички тези изображения заедно образуват спектър.
Описаното устройство се нарича спектрограф. Ако вместо втора леща и екран се използва телескоп за визуално наблюдение на спектри, тогава устройството се нарича спектроскоп. Призмите и другите части на спектралните устройства не са непременно направени от стъкло. Вместо стъкло се използват и прозрачни материали като кварц. каменна соли т.н.
Запознахте се с нова величина - спектралната плътност на интензитета на излъчване. Разбрахме какво има вътре в корпуса на спектралния апарат.
Спектралния състав на излъчването на веществата е много разнообразен. Но въпреки това всички спектри, както показва опитът, могат да бъдат разделени на три типа.
Спектър на електромагнитно излъчване
Свойства на електромагнитното излъчване.Електромагнитното излъчване с различни дължини на вълната има доста разлики, но всички те, от радиовълни до гама лъчение, са едно физическа природа. Всички видове електромагнитно излъчване в по-голяма или по-малка степен проявяват свойствата на интерференция, дифракция и поляризация, характерни за вълните. В същото време всички видове електромагнитно излъчване проявяват квантови свойства в по-голяма или по-малка степен.
Общи за всички електромагнитни лъчения са механизмите на тяхното възникване: електромагнитни вълни с всякаква дължина на вълната могат да възникнат по време на ускорено движение на електрически заряди или по време на преходи на молекули, атоми или атомни ядра от едно квантово състояние в друго. Хармонични вибрацииелектрическите заряди са придружени от електромагнитно излъчване с честота, равна на честотата на трептене на зарядите.
Радио вълни.Когато възникнат трептения с честоти от 10 5 до 10 12 Hz, възниква електромагнитно излъчване, чиято дължина на вълната е в диапазона от няколко километра до няколко милиметра. Този раздел от скалата на електромагнитното излъчване се отнася за обхвата на радиовълните. Радиовълните се използват за радиокомуникации, телевизия и радар.
Инфрачервено лъчение.Електромагнитно излъчване с дължина на вълната по-малка от 1-2 mm, но по-голяма от 8 * 10 -7 m, т.е. тези, разположени между диапазона на радиовълните и диапазона на видимата светлина, се наричат инфрачервено лъчение.
Областта на спектъра отвъд червения му ръб е експериментално изследвана за първи път през 1800 г. Английски астроном Уилям Хершел (1738 - 1822). Хершел постави термометър с почернена топка в червения край на спектъра и откри повишаване на температурата. Топката на термометъра се нагрява от невидима за окото радиация. Това лъчение се нарича инфрачервени лъчи.
Инфрачервеното лъчение се излъчва от всяко нагрято тяло. Източници на инфрачервено лъчение са печки, водни радиатори, електрически лампис нажежаема жичка
Като се използва специални устройстваИнфрачервеното лъчение може да се преобразува във видима светлина и да се получават изображения на нагрети обекти в пълна тъмнина. Инфрачервеното лъчение се използва за сушене на боядисани продукти, стени на сгради и дърво.
Видима светлина.Видимата светлина (или просто светлина) включва излъчване с дължина на вълната от приблизително 8*10 -7 до 4*10 -7 m, от червена до виолетова светлина.
Значението на тази част от спектъра на електромагнитното излъчване в човешкия живот е изключително голямо, тъй като човек получава почти цялата информация за света около него чрез зрението.
Светлината е предпоставкаразвитието на зелени растения и следователно е необходимо условие за съществуването на живот на Земята.
Ултравиолетова радиация. През 1801 г. немският физик Йохан Ритер (1776 - 1810), докато изучава спектъра, открива, че отвъд виолетовия му ръб има област, създадена от невидими за окото лъчи. Тези лъчи влияят на определени химични съединения. Под въздействието на тези невидими лъчи сребърният хлорид се разлага, кристалите на цинков сулфид и някои други кристали светят.
Електромагнитното лъчение с дължина на вълната, по-къса от тази на виолетовата светлина, невидимо за окото, се нарича ултравиолетово лъчение. Ултравиолетовото лъчение включва електромагнитно лъчение с дължина на вълната от 4*10 -7 до 1*10 -8 m.
Ултравиолетовото лъчение може да убие патогенните бактерии, така че се използва широко в медицината. Ултравиолетовото лъчение в състава на слънчевата светлина предизвиква биологични процеси, които водят до потъмняване на човешката кожа – тен.
Газоразрядните лампи се използват като източници на ултравиолетово лъчение в медицината. Тръбите на такива лампи са изработени от кварц, прозрачен за ултравиолетови лъчи; Ето защо тези лампи се наричат кварцови лампи.
рентгенови лъчи. Ако се приложи постоянно напрежение от няколко десетки хиляди волта във вакуумна тръба между нагрят катод, излъчващ електрон, и анода, електроните първо ще бъдат ускорени от електрическото поле и след това рязко ще се забавят в анодното вещество, когато взаимодействат с неговата атоми. Когато бързите електрони в дадено вещество се забавят или по време на електронни преходи върху вътрешните обвивки на атомите се появяват електромагнитни вълни с дължина на вълната, по-къса от тази на ултравиолетовото лъчение. Тази радиация е открита през 1895 г немски физикВилхелм Рентген (1845-1923). Електромагнитното лъчение с дължина на вълната от 10 -14 до 10 -7 m се нарича рентгеново лъчение.
Рентгеновите лъчи са невидими за окото. Те преминават без значителна абсорбция през значителни слоеве материя, които са непрозрачни за видимата светлина. Рентгеновите лъчи се откриват чрез способността им да предизвикват определено сияние в определени кристали и да действат върху фотографски филм.
Способността на рентгеновите лъчи да проникват в дебели слоеве материя се използва за диагностициране на заболявания на вътрешните органи на човека. В техниката рентгеновите лъчи се използват за контрол вътрешна структураразлични продукти, заварки. Рентгеновите лъчи имат силно биологично действие и се използват за лечение на определени заболявания.
Гама радиация. Гама лъчението е електромагнитно лъчение, излъчвано от възбудени атомни ядраи произтичащи от взаимодействието на елементарни частици.
Гама лъчението е електромагнитното лъчение с най-къса дължина на вълната (l < 10 -10 м). Неговата отличителна черта е ярко изразеният корпускулярни свойства. Следователно гама-лъчението обикновено се разглежда като поток от частици - гама-кванти. В областта на дължината на вълната от 10 -10 до 10 -14 диапазоните на рентгеновото и гама лъчението се припокриват; в тази област рентгеновите и гама лъчите са идентични по природа и се различават само по произход.
Заключение
В началото на 19в. Беше открито, че по-горе (по дължина на вълната) червената част от спектъра на видимата светлина е невидима за окото инфрачервеначаст от спектъра, а под виолетовата част от спектъра на видимата светлина е невидима UVчаст от спектъра.
Дължините на вълните на инфрачервеното лъчение варират от
3·10 -4 до 7,6·10 -7 m характерно свойствотова излъчване е негово топлинен ефект. Източникът на инфрачервена светлина е всяко тяло. Колкото по-висока е телесната температура, толкова по-висок е интензитетът на това излъчване. Инфрачервеното лъчение се изследва с помощта на термодвойки и болометри. Принципът на работа на устройствата за нощно виждане се основава на използването на инфрачервено лъчение.
Дължините на вълните на ултравиолетовото лъчение варират от
4·10 -7 до 6·10 -9 m най-характерното свойство на това лъчение е неговото химично и биологично действие. Ултравиолетовото лъчение причинява фотоелектричния ефект, светенето на редица вещества ( флуоресценция и фосфоресценция).Убива болестотворните микроби, предизвиква тен и др.
В науката инфрачервеното и ултравиолетовото лъчение се използват за изследване на молекулите и атомите на материята.
На екрана зад пречупващата призма монохроматичните цветове в спектъра са подредени в следния ред: червено (с най-голяма дължина на вълната lk = 7,6·10 -7 m сред вълните на видимата светлина и най-малък индекс на пречупване), оранжево, жълто , зелено, циан, синьо и виолетово (с най-малкия видим спектърдължина на вълната l f =4·10 -7 m и най-висок индекс на пречупване).
И така, спектралният анализ се използва в почти всички най-важни области на човешката дейност: в медицината, в криминалистиката, в промишлеността и други отрасли, които съществуват в полза на човечеството. Следователно спектралният анализ е един от най-важните аспектиразвитие не само научен прогрес, но и самия стандарт на човешки живот.
Списък на използваната литература
1. Физическа работилница „Електричество и магнетизъм“, редактирана от професор V.I. Иверонова. Издателство "Наука", М. - 1968 г
2. Д.В. Сивухин, „Общ курс по физика. Ядрена и ядрена физика. Част 1. Атомна физика" Издателство "Наука", Москва - 1986 г.
3. Н.Н. Евграфова, В.Л. Каган „Курс по физика за подготвителни отделенияуниверситети." Издателство " висше училище“, Москва – 1978г.
4. Б.М. Яворски, Ю.А.Селезнев " Помощно ръководствопо физика за постъпващите в университети и за самообучение.“ Издателство "Наука", Москва - 1984 г.
5. О.Ф. Кабардин "Физика". Издателство "Просвещение", М. - 1991 г.
СПЕКТРАЛЕН АНАЛИЗ(с използване на емисионни спектри) се използва в почти всички сектори на икономиката. Широко използван в металната промишленост за бърз анализжелязо, стомана, чугун, както и различни специални стомани и крайни метални изделия, за да се установи чистотата на леки, цветни и скъпоценни метали. Спектралния анализ се използва широко в геохимията при изследване на състава на минералите. В химическата промишленост и свързаните с нея индустрии спектралният анализ се използва за определяне на чистотата на произведените и използвани продукти, за анализиране на катализатори, различни остатъци, утайки, мътнини и промивни води; в медицината – за откриване на метали в различни органични тъкани. Редица специални проблеми, които са трудни за решаване или не могат да бъдат решени по друг начин, се решават с помощта на спектрален анализ бързо и точно. Това включва например разпределението на металите в сплавите, изследването на сулфид и други включвания в сплави и минерали; Този вид изследване понякога се нарича локален анализ.
Изборът на един или друг тип спектрален апарат от гледна точка на достатъчността на неговата дисперсия се извършва в зависимост от целта и задачите на спектралния анализ. Кварцови спектрографи с по-голяма дисперсия, даващи за дължини на вълните 4000-2200 Ӑ ивица спектър с дължина най-малко 22 см. За други елементи може да бъде Използват се апарати, които произвеждат спектри с дължина 7-15 cm. Спектрографите със стъклена оптика обикновено са от по-малко значение. От тях са удобни комбинирани инструменти (например от компаниите на Hilger и Fuss), които при желание могат да се използват като спектроскоп и спектрограф. За получаване на спектри се използват следните източници на енергия. 1) Пламък от горяща смес- водород и кислород, смес от кислород и осветителен газ, смес от кислород и ацетилен или накрая въздух и ацетилен. IN последният случайтемпературата на светлинния източник достига 2500-3000°C. Пламъкът е най-подходящ за получаване на спектри на алкални и алкалоземни метали, както и на елементи като Cu, Hg и Tl. 2) Волтова дъга. а) Обикновен, гл. обр. постоянен ток, мощност 5-20 A. Използва се с голям успех за качествен анализ на трудно топими минерали, които се въвеждат в дъгата под формата на парчета или фино смлени прахове. За количествения анализ на металите използването на конвенционална волтова дъга има много съществен недостатък, а именно, че повърхността на анализираните метали е покрита с оксиден филм и изгарянето на дъгата в крайна сметка става неравномерно. Температурата на волтовата дъга достига 5000-6000°C. б) Прекъсната дъга (Abreissbogen) на постоянен ток с мощност 2-5 A при напрежение около 80 V. С помощта на специално устройство дъгата се прекъсва 4-10 пъти в секунда. Този метод на възбуждане намалява окисляването на повърхността на анализираните метали. При по-високи напрежения - до 220 V и ток 1-2 A - може да се използва и прекъсваща дъга за анализ на разтвори. 3) Искрови разряди, получени с помощта на индукционна намоткаили по-често постоянен трансформатор или (за предпочитане) променлив токс мощност до 1 kW, даваща 10 000-30 000 V във вторичната верига Използват се три вида разряди: а) Искрови разряди без капацитет и индуктивност във вторичната верига, понякога наричани високоволтова дъга (Hochspannungsbogen). Анализът на течности и разтопени соли с помощта на такива изхвърляния е много чувствителен. б) Искрови разряди с капацитет и индуктивност във вторичната верига, често наричани още кондензирани искри, представляват по-универсален източник на енергия, подходящ за възбуждане на спектрите на почти всички елементи (с изключение на алкални метали), както и на газове. Схемата на свързване е показана на фиг. 1,
където R е реостатът в първичната верига, Tr е трансформаторът за променлив ток, C 1 е капацитетът във вторичната верига I, S е превключвателят за промяна на индуктивността L 1, U е синхронният прекъсвач, LF е искрогасителят , F е работната искрова междина. Вторичната верига II е настроена в резонанс с вторичната верига I, използвайки индуктивност и променлив капацитет C 2; признак за наличие на резонанс е най-голямата силаток, показан от милиамперметър A. Целта на вторичната верига II на синхронния прекъсвач U и искроуловителя LF е да направи електрически разрядиможе би монотонен както по характер, така и по численост за определен период от време; при нормална работа такива допълнителни устройства не се въвеждат.
При изследване на метали във вторичната верига се използва капацитет от 6000-15000 cm3 и индуктивност до 0,05-0,01 N. За анализ на течности понякога във вторичната верига се въвежда воден реостат със съпротивление до 40000 ома. . Газовете се изследват без индуктивност с малък капацитет. в) Тесла токови разряди, които се извършват с помощта на схемата, показана на фиг. 2,
където V е волтметър, A е амперметър, T е трансформатор, C е капацитет, T-T е трансформатор на Тесла, F е искрова междина, където се въвежда анализираното вещество. Токовете на Тесла се използват за изследване на вещества, които имат ниска точка на топене: различни растителни и органични препарати, отлагания върху филтри и др. При спектралния анализ на металите, в случай на голям брой от тях, те обикновено са електроди и им се дава някаква форма, например от тези, показани на ФИГ. 3,
където a е електрод, направен от анализираната дебела тел, b е от калай, c е огъната тънка тел, d е диск, изрязан от дебел цилиндричен прът, e е форма, изрязана от големи парчета отливка. При количествен анализ винаги е необходимо да има еднаква форма и размер на повърхността на електрода, изложена на искри. Ако количеството анализиран метал е малко, можете да използвате рамка, изработена от някакъв чист метал, например злато и платина, в която анализираният метал е фиксиран, както е показано на фиг. 4.
Предложени са доста методи за въвеждане на разтвори в светлинен източник. При работа с пламък се използва пулверизатор Lundegaard, схематично показан на фиг. 5 заедно със специална горелка.
Въздухът, издухан през пръскачката BC, улавя изпитваната течност, излята в количество от 3-10 cm 3 във вдлъбнатина C, и я пренася под формата на фин прах към горелката A, където се смесва с газ. За въвеждане на разтвори в дъгата, както и в искрата, се използват чисти въглеродни или графитни електроди, на един от които се прави вдлъбнатина. Трябва да се отбележи обаче, че е много трудно въглищата да бъдат напълно чисти. Методите, използвани за почистване - редуващо се кипене в солна и флуороводородна киселина, както и калциниране във водородна атмосфера до 2500-3000 ° C - не произвеждат въглища без примеси; Ca, Mg, V, Ti, Al остават (макар и следи ), Fe, Si, B. Въглища със задоволителна чистота също се получават чрез калцинирането им във въздух с помощта на електрически ток: ток от около 400 A се пропуска през въглероден прът с диаметър 5 mm и силното нажежаване, постигнато в този начин (до 3000 ° C) е достатъчен, така че в рамките на няколко секунди повечето от примесите, замърсяващи въглищата, да се изпарят. Съществуват и методи за въвеждане на разтвори в искра, където самият разтвор е долният електрод, а искрата скача на повърхността му; друг електрод може да бъде всеки чист метал. Пример за такова устройство е показано на фиг. 6 течен електрод Gerlyach.
Вдлъбнатината, в която се излива тестовият разтвор, се облицова с платинено фолио или се покрива с дебел слой злато. На фиг. 7 показва апарат на Hitchen, който също служи за въвеждане на разтвори в искра.
От съд А тестовият разтвор тече в слаба струя през тръба В и кварцова дюза С в сферата на действие на искровите разряди. Долният електрод, запоен в стъклена тръба, е прикрепен към апарата с помощта на гумена тръба E. Приставката C, показана на фиг. 7 отделно, има изрез от едната страна за замазване с хоросан. D - стъклен предпазен съд, в който е направен кръгъл отвор за излизане на ултравиолетови лъчи. По-удобно е да направите този съд кварц без дупка. Горният електрод F, графитен, въглероден или метален, също е снабден с пластина, устойчива на пръски. За „дъга с високо напрежение“, която силно нагрява анализираните вещества, Gerlach използва охладени електроди, когато работи с разтвори, както е показано схематично на фиг. 8.
Стъклена фуния G е прикрепена към дебела тел (6 mm в диаметър) с помощта на запушалка K, в която се поставят парчета лед. В горния край на жицата е закрепен кръгъл железен електрод E с диаметър 4 cm и височина 4 cm, върху който е поставена платинена чаша P; последният трябва лесно да се отстранява за почистване. Горният електрод също трябва да се използва. гъста, за да се избегне топенето. Когато анализирате малки количества вещества - утайки върху филтри, различни прахове и др. - можете да използвате устройството, показано на фиг. 9.
Прави се бучка от изпитваното вещество и филтърна хартия, навлажнена за по-добра проводимост с разтвор, например NaCl, поставен върху долния електрод, понякога състоящ се от чист кадмий, затворен в кварцова (по-лошо стъклена) тръба; горният електрод също е някакъв чист метал. За същите анализи при работа с токове на Тесла се използва специална конструкция на искровата междина, показана на фиг. 10 а и б.
В кръглата панта K се фиксира в желаната позиция алуминиева пластина E, върху която се поставя стъклена пластина G, а върху последната - препарат P върху филтърна хартия F. Препаратът се навлажнява с малко киселина или разтвор на сол. Цялата тази система е малък кондензатор. За изследване на газовете се използват затворени стъклени или кварцови съдове (фиг. 11).
За количествен анализ на газове е удобно да се използват златни или платинени електроди, чиито линии могат да се използват за сравнение. Почти всички горепосочени устройства за въвеждане на вещества в искра и дъга се монтират в специални стойки по време на работа. Пример е стативът Gramont, показан на фиг. 12:
с помощта на винт D, електродите едновременно се раздалечават и раздалечават; винт Е се използва за преместване на горния електрод успоредно на оптичната маса, а винт С е за странично завъртане на долния електрод; винт B се използва за странично завъртане на цялата горна част на статива; накрая, като използвате винт A, можете да повдигнете или спуснете целия горна частстатив; N - поставка за горелки, чаши и др. Изборът на енергиен източник за конкретна изследователска цел може да се направи с помощта на следната приблизителна таблица.
Качествен анализ. При качествения спектрален анализ откриването на даден елемент зависи от много фактори: природата на определяния елемент, източника на енергия, разделителната способност на спектралния апарат, както и чувствителността на фотографските плаки. По отношение на чувствителността на анализа могат да се направят следните насоки. Когато работите с искрови разряди в разтвори, можете да отворите 10 -9 -10 -3%, а в метали 10 -2 -10 -4% от изследвания елемент; при работа с волтова дъга границите на отваряне са около 10 -3%. Абсолютната сума, която може да бъде отворен при работа с пламък е 10 -4 -10 -7 g, а при искрови разряди 10 -6 -10 -8 g от изследвания елемент. Най-голяма чувствителност на откриване имат металите и металоидите - B, P, C; по-малка чувствителност към металоиди As, Se и Te; халогени, както и S, O, N в техните съединения, изобщо не могат да се използват. отворен и м.б. открити само в някои случаи в газови смеси.
За качествения анализ „последните редове” са от най-голямо значение, а при анализа задачата е най-много точно определениедължини на вълните на спектралните линии. При визуални изследвания дължините на вълните се измерват по дължината на барабана на спектрометъра; тези измервания могат да се считат само за приблизителни, тъй като точността обикновено е ±(2-Z)Ӑ и в таблиците на Кайзер около 10 спектрални линии, принадлежащи на различни елементи, за λ 6000 и 5000 Ӑ и около 20 спектрални линии за λ ≈ 4000 Ӑ. Дължината на вълната се определя много по-точно чрез спектрографски анализ. В този случай на спектрограмите с помощта на измервателен микроскоп се измерва разстоянието между линии с известна дължина на вълната и определена; Формулата на Хартман се използва за намиране на дължината на вълната на последния. Точността на такива измервания при работа с инструмент, който произвежда спектрална лента с дължина около 20 cm, е ± 0,5 Ӑ за λ ≈ 4000 Ӑ, ± 0,2 Ӑ за λ ≈ 3000 Ӑ и ± 0,1 Ӑ за λ ≈ 2500 Ӑ. Съответният елемент се намира в таблиците въз основа на дължината на вълната. Разстоянието между линиите при нормална работа се измерва с точност 0,05-0,01 mm. Тази техника понякога се комбинира удобно със снимане на спектри с така наречените затвори на Хартман, два вида от които са показани на фиг. 13, а и б; С тяхна помощ процепът на спектрографа може да бъде направен с различна височина. Фиг. 13в схематично изобразява случая на качествен анализ на веществото X - идентификацията на елементите А и В в него от фиг. 13, d показват, че в веществото Y, в допълнение към елемента А, чиито линии са обозначени с буквата G, има примес, чиито линии са обозначени с z. Използвайки тази техника в прости случаиможе да се направи качествен анализбез да се прибягва до измерване на разстоянията между линиите.
Количествен анализ. За количествен спектрален анализ от най-голямо значение са линиите, които имат възможно най-голямата концентрационна чувствителност dI/dK, където I е интензитетът на линията, а K е концентрацията на елемента, който я дава. Колкото по-голяма е чувствителността към концентрация, толкова по-точен е анализът. С течение на времето са разработени редица методи за количествен спектрален анализ. Тези методи са както следва.
аз Спектроскопски методи(без фотографията) почти всички са фотометрични методи. Те включват: 1) Метод на Barratt. В същото време се възбуждат спектрите на две вещества - тест и стандарт - видими в зрителното поле на спектроскопа едно до друго, едно над друго. Пътят на лъчите е показан на фиг. 14,
където F 1 и F 2 са две искрови междини, светлината от които преминава през призмите на Николас N 1 и N 2, поляризиращи лъчите във взаимно перпендикулярни равнини. С помощта на призмата D лъчите влизат в прореза S на спектроскопа. Трета призма на Николас, анализатор, е поставена в неговия телескоп, като се върти, което постига еднакъв интензитет на двете сравнявани линии. Преди това, когато изучавате стандарти, т.е. вещества с известно съдържаниеелементи се установява връзката между ъгъла на завъртане на анализатора и концентрацията и от тези данни се изготвя диаграма. При анализиране по ъгъла на завъртане на анализатора желаният процент се намира от тази диаграма. Точността на метода е ±10%. 2) . Принципът на метода е, че светлинните лъчи след призмата на спектроскопа преминават през призмата на Wollaston, където се разделят на два лъча и се поляризират във взаимно перпендикулярни равнини. Диаграмата на пътя на лъча е показана на фиг. 15,
където S е процепът, P е призмата на спектроскопа, W е призмата на Wollaston. В зрителното поле се получават два спектъра B 1 и B 2, разположени един до друг; L - лупа, N - анализатор. Ако завъртите призмата на Wollaston, спектрите ще се преместят един спрямо друг, което ви позволява да комбинирате всеки две от техните линии. Например, ако се анализира желязо, съдържащо ванадий, тогава ванадиевата линия се комбинира с някоя близка едноцветна желязна линия; след това чрез завъртане на анализатора постигат същата яркост на тези линии. Ъгълът на въртене на анализатора, както и в предишния метод, е мярка за концентрацията на желания елемент. Методът е особено подходящ за анализ на желязо, чийто спектър има много линии, което дава възможност винаги да се намират линии, подходящи за изследване. Точността на метода е ± (3-7)%. 3) Метод на Очиалини. Ако електродите (например анализираните метали) са разположени хоризонтално и изображението се проектира от светлинен източник върху вертикалния процеп на спектроскопа, тогава както по време на искрови, така и по време на дъгови разряди могат да се появят линии от примеси. отворени в зависимост от концентрацията на по-голямо или по-малко разстояние от електродите. Източникът на светлина се проектира върху процепа с помощта на специална леща, оборудвана с микрометричен винт. По време на анализа тази леща се движи и изображението на светлинния източник се движи заедно с нея, докато всяка линия на примеси в спектъра изчезне. Мярката за концентрация на примеси е отчитането на скалата на лещата. В момента този метод е разработен и за работа с ултравиолетовата част на спектъра. Трябва да се отбележи, че Локиър използва същия метод за осветяване на процепа на спектрален апарат и той разработва метод за количествен спектрален анализ, т.нар. метод "дълги и къси линии". 4) Директна фотометрия на спектри. Методите, описани по-горе, се наричат визуални. Вместо визуални изследвания, Lundegaard използва фотоклетка за измерване на интензитета на спектралните линии. Точността на определяне на алкални метали при работа с пламък достига ± 5%. За искрови разряди този метод не е приложим, тъй като те са по-малко постоянни от пламъците. Съществуват и методи, базирани на промяна на индуктивността във вторичната верига, както и използване на изкуствено затихване на светлината, влизаща в спектроскопа, докато изследваните спектрални линии изчезнат в зрителното поле.
II. Спектрографски методи. С тези методи се изследват фотографски снимки на спектрите и мярката за интензитета на спектралните линии е почерняването, което те произвеждат върху фотографската плака. Интензитетът се оценява на око или фотометрично.
А. Методи без фотометрия. 1) Метод на последните редове. Когато концентрацията на който и да е елемент в спектъра се промени, броят на неговите линии се променя, което дава възможност при постоянни работни условия да се прецени концентрацията на определяния елемент. Снима се поредица от спектри на вещества с известно съдържание на интересуващия ни компонент, на спектрограмите се определя броят на неговите линии и се съставят таблици, показващи кои линии се виждат при дадени концентрации. Тези таблици допълнително служат за аналитични определения. При анализа на спектрограмата се определя броят на линиите на интересуващия елемент и процентното съдържание се намира от таблиците, като методът не дава еднозначна цифра, а граници на концентрация, т.е. "от-до". Най-надеждно е възможно да се разграничат концентрации, които се различават една от друга с коефициент 10, например от 0,001 до 0,01%, от 0,01 до 0,1% и т.н. Аналитичните таблици са важни само за много специфични работни условия, които могат да варират много между лабораториите; Освен това е необходимо внимателно спазване на постоянните условия на работа. 2) Сравнителен спектрален метод. Снимат се няколко спектъра на анализираното вещество А + х% В, в които се определя съдържанието на х елемент В, а в интервалите между тях на същата фотоплака - спектри на стандартни вещества А + а% В, А + b % B, A + c% B , където a, b, c са известният процент на B. В спектрограмите интензитетът на B линиите определя между кои концентрации се намира стойността на x. Критерият за постоянството на работните условия е равенството на интензитета във всички спектрограми на всяка близка линия А. При анализиране на разтвори към тях се добавя същото количество от някакъв елемент, което дава линия, близка до линиите В, и след това постоянството на условия на работа се съди по равенството на интензитета на тези линии. Колкото по-малка е разликата между концентрациите на a, b, c, ... и колкото по-точно е постигнато равенство на интензитета на линиите A, толкова по-точен е анализът. А. Райс, например, използва концентрации на a, b, c, ..., свързани една с друга, като 1: 1,5. В непосредствена близост до метода на сравнителните спектри е методът на "подбор на концентрации" (Testverfahren) по Güttig и Thurnwald, който е приложим само за анализ на разтвори. Той се крие във факта, че ако в два разтвора, съдържащи a% A и x% A (x е по-голямо или по-малко от a), което сега може да се определи от техните спектри, тогава такова количество n от елемента A се добавя към всеки от тези разтвори, така че интензитетът на неговите линии в двата спектъра да стане еднакъв. Това ще определи концентрацията x, която ще бъде равна на (a ± n)%. Можете също така да добавите друг елемент B към анализирания разтвор, докато интензитетите на определени линии A и B се изравнят и въз основа на количеството B да оцените съдържанието на A. 3) Метод на хомоложни двойки. В спектъра на вещество A + a% B линиите на елементите A и B не са еднакво интензивни и ако има достатъчен брой от тези линии, можете да намерите две такива линии A и B, чийто интензитет ще бъдете същите. За друга композиция A + b% B, други линии A и B ще бъдат еднакви по интензитет и т.н. Тези две идентични линии се наричат хомоложни двойки. Концентрациите на В, при които се среща една или друга хомоложна двойка, се наричат фиксиращи точкитази двойка. За да работите с този метод, е необходимо предварително съставяне на таблици на хомоложни двойки, като се използват вещества с известен състав. Колкото по-пълни са таблиците, т.е. колкото повече хомоложни двойки съдържат с фиксиращи точки, които се различават възможно най-малко една от друга, толкова по-точен е анализът. Съставени са доста голям брой от тези таблици и те могат да се използват във всяка лаборатория, тъй като условията на изхвърлянията по време на съставянето им са точно известни и тези условия могат да се използват. абсолютно точно възпроизведен. Това се постига чрез следното прост трик. В спектъра на веществото A + a% B са избрани две линии на елемент A, чийто интензитет варира значително в зависимост от стойността на самоиндукцията във вторичната верига, а именно една дъгова линия (принадлежаща на неутралния атом) и една искрова линия (принадлежаща на йона). Тези два реда се наричат фиксираща двойка. Чрез избиране на стойността на самоиндуктивността, линиите на тази двойка се правят идентични и компилацията се извършва точно при тези условия, винаги посочени в таблиците. При същите условия се извършва анализ и процентът се определя въз основа на прилагането на една или друга хомоложна двойка. Има няколко модификации на метода на хомоложните двойки. От тях най-важен е методът спомагателен спектър, използва се, когато елементите A и B нямат достатъчен брой линии. В този случай спектралните линии на елемент А се свързват по определен начин с линиите на друг, по-подходящ елемент G, а ролята на А започва да се играе от елемент G. Методът на хомоложните двойки е разработен от Герлях и Швейцер. Приложим е както за сплави, така и за разтвори. Точността му е средно около ±10%.
IN. Методи, използващи фотометрия. 1) Метод на Барат. Фиг. 16 дава представа за метода.
F 1 и F 2 са две искрови междини, с помощта на които едновременно се възбуждат спектрите на стандарта и на анализираното вещество. Светлината преминава през 2 въртящи се сектора S 1 и S 2 и с помощта на призма D образува спектри, разположени един над друг. Чрез избиране на секторни разрези линиите на изследвания елемент получават еднакъв интензитет; концентрацията на определяния елемент се изчислява от съотношението на стойностите на изрезките. 2) е подобен, но с една искрова междина (фиг. 17).
Светлината от F се разделя на два лъча и преминава през сектори S 1 и S 2, използвайки ромба на Hüfner R, се получават две ленти от спектъра една над друга; Sp - цепка на спектрографа. Секторните разфасовки се променят, докато интензитетът на линията на примесите и всяка близка линия на основното вещество се изравнят, а процентното съдържание на определяния елемент се изчислява от съотношението на стойностите на разрезите. 3) Когато се използва като фотометър въртящ се логаритмичен секторлиниите придобиват клиновиден вид на спектрограмите. Един от тези сектори и неговото положение спрямо спектрографа по време на работа е показано на фиг. 18, а и б.
Секторното разрязване се подчинява на уравнението
- log Ɵ = 0,3 + 0,2l
където Ɵ е дължината на дъгата в части от пълен кръг, разположена на разстояние I, измерена в mm по радиуса от нейния край. Мярка за интензитета на линиите е тяхната дължина, тъй като с промяна в концентрацията на елемент се променя и дължината на неговите клиновидни линии. Първо, като се използват проби с известно съдържание, се изгражда диаграма на зависимостта на дължината на линията от % съдържание; Когато се анализира на спектрограма, дължината на същата линия се измерва и процентът се намира от диаграмата. Има няколко различни модификации на този метод. Заслужава да се посочи модификацията на Шайбе, който използва т.нар. двоен логаритмичен сектор. Изглед на този сектор е показан на фиг. 19.
След това линиите се изследват със специален апарат. Точност, постижима при използване на логаритмични сектори, ±(10-15)%; Модификацията на Scheibe дава точност от ±(5-7)%. 4) Доста често се използва фотометрия на спектрални линии с помощта на светлинни и термоелектрични спектрофотометри с различни конструкции. Удобни са термоелектрическите фотометри, предназначени специално за целите на количествения анализ. Например на фиг. Фигура 20 показва диаграма на фотометъра според Шейбе:
L е постоянен източник на светлина с кондензатор K, M е фотографска плака с изследвания спектър, Sp е процеп, O 1 и O 2 са лещи, V е затвор, Th е термоелемент, който е свързан към галванометъра . Мярка за интензитета на линиите е отклонението на стрелката на галванометъра. По-рядко използвани са саморегистриращите се галванометри, които регистрират интензитета на линиите под формата на крива. Точността на анализа при използване на този тип фотометрия е ±(5-10)%. Когато се комбинира с други методи за количествен анализ, точността може да бъде повишена; например, триредов метод Scheibe и Schnettler, който е комбинация от метода на хомоложната двойка и фотометричните измервания, в благоприятни случаи може да даде точност от ±(1-2)%.