U sedamnaestom stoljeću, označavajući ukupnost svih vrijednosti bilo koje fizičke veličine. Energija, masa, optičko zračenje. Često se misli na ovo drugo kada govorimo o spektru svjetlosti. Naime, spektar svjetlosti je skup opsega optičkog zračenja različitih frekvencija, od kojih neke možemo vidjeti svakodnevno u vanjskom svijetu, dok su neke od njih nedostupne golim okom. U zavisnosti od mogućnosti percepcije ljudskim okom, spektar svjetlosti se dijeli na vidljivi i nevidljivi dio. Potonji je, zauzvrat, izložen infracrvenom i ultraljubičastom svjetlu.
Vrste spektra
Postoje i različite vrste spektra. Ima ih tri, u zavisnosti od spektralne gustine intenziteta zračenja. Spektri mogu biti kontinuirani, linijski i prugasti. Tipovi spektra se određuju pomoću
kontinuirani spektar
Kontinuirani spektar formiraju čvrste materije visoke temperature ili gasovi velike gustine. Dobro poznata duga od sedam boja direktan je primjer kontinuiranog spektra.
linijski spektar
Takođe predstavlja tipove spektra i dolazi od bilo koje supstance koja je u gasovitom atomskom stanju. Ovdje je važno napomenuti da je u atomskom, a ne u molekularnom. Takav spektar pruža izuzetno nisku interakciju atoma međusobno. Pošto nema interakcije, atomi trajno emituju talase iste talasne dužine. Primjer takvog spektra je sjaj plinova zagrijanih na visoku temperaturu.
prugasti spektar
Prugasti spektar vizualno predstavlja odvojene trake, jasno omeđene prilično tamnim intervalima. Štaviše, svaki od ovih opsega nije zračenje striktno određene frekvencije, već se sastoji od velikog broja svjetlosnih linija koje su usko raspoređene jedna do druge. Primjer takvog spektra, kao u slučaju linijskog spektra, je sjaj para na visokim temperaturama. Međutim, više ih ne stvaraju atomi, već molekuli koji imaju izuzetno blisku zajedničku vezu, što uzrokuje takav sjaj.
Spektar apsorpcije
Međutim, vrste spektra još uvijek tu ne završavaju. Osim toga, razlikuje se još jedan tip, kao što je apsorpcijski spektar. U spektralnoj analizi, apsorpcijski spektar su tamne linije na pozadini kontinuiranog spektra i, u suštini, apsorpcijski spektar je izraz ovisnosti o indeksu apsorpcije tvari, koji može biti manje ili više visok.
Iako postoji širok raspon eksperimentalnih pristupa mjerenju spektra apsorpcije. Najčešći eksperiment je kada se generirani snop zračenja propušta kroz ohlađeni (zbog odsustva interakcije čestica i, posljedično, luminiscencije) plin, nakon čega se određuje intenzitet zračenja koje prolazi kroz njega. Prenesena energija se može koristiti za izračunavanje apsorpcije.
Spektralna analiza, metoda za kvalitativno i kvantitativno određivanje sastava supstanci, zasnovana na proučavanju spektra njihove emisije, apsorpcije, refleksije i luminiscencije. Razlikovati atomske i molekularne spektralna analiza, čiji su zadaci da odrede, redom, elementarni, odnosno molekularni sastav supstance. Emisivno spektralna analiza izvedeno prema spektrima emisije atoma, jona ili molekula pobuđenih na različite načine, apsorpcija spektralna analiza- prema spektrima apsorpcije elektromagnetnog zračenja analiziranih objekata (vidi. Apsorpciona spektroskopija). U zavisnosti od svrhe istraživanja, svojstva analita, specifičnosti korišćenih spektra, opseg talasnih dužina i drugi faktori, tok analize, oprema, metode merenja spektra i metrološke karakteristike rezultata veoma variraju. Prema ovome spektralna analiza podijeljeno na nekoliko nezavisnih metoda (vidi, posebno, refleksijska spektroskopija, ultraljubičasta spektroskopija, ).
često ispod spektralna analiza razumiju samo atomsku emisionu spektralnu analizu (AESA) - metodu elementarne analize zasnovanu na proučavanju spektra emisije slobodnih atoma i jona u gasnoj fazi u opsegu talasnih dužina od 150-800 nm (vidi).
Uzorak ispitivane supstance se unosi u izvor zračenja, gde isparava, disocira molekule i pobuđuje nastale atome (jone). Potonji emituju karakteristično zračenje koje ulazi u uređaj za snimanje spektralnog instrumenta.
U kvalitativnoj spektralnoj analizi, spektri uzoraka se upoređuju sa spektrima poznatih elemenata datim u odgovarajućim atlasima i tabelama spektralnih linija, te se tako utvrđuje elementarni sastav analita. U kvantitativnoj analizi, količina (koncentracija) željenog elementa u analiziranoj supstanci određuje se ovisnošću veličine analitičkog signala (gustina zacrnjenja ili optička gustina analitičke linije na fotografskoj ploči; svjetlosni tok do fotoelektričnog prijemnika ) željenog elementa na njegov sadržaj u uzorku. Ovu zavisnost na složen način određuju mnogi teško kontrolisani faktori (bruto sastav uzoraka, njihova struktura, finoća, parametri izvora pobuđivanja spektra, nestabilnost uređaja za snimanje, svojstva fotografskih ploča itd.). Zbog toga se u pravilu za njegovo utvrđivanje koristi skup uzoraka za kalibraciju koji su po bruto sastavu i strukturi što je moguće bliži analiziranoj supstanci i sadrže poznate količine elemenata za određivanje. Takvi uzorci mogu poslužiti kao posebno pripremljeni metalik. legure, mješavine tvari, otopine, uklj. i proizveden od strane industrije. Da bi se eliminisao uticaj neizbežne razlike u svojstvima analiziranog i standardnog uzorka na rezultate analize, koriste se različite metode; na primjer, upoređuju spektralne linije elementa koji se utvrđuje i takozvanog komparativnog elementa, koji je po kemijskim i fizičkim svojstvima blizak elementu koji se određuje. Prilikom analize materijala istog tipa mogu se koristiti jedne te iste kalibracione zavisnosti, koje se periodično koriguju prema verifikacionim uzorcima.
Osetljivost i tačnost spektralne analize zavise uglavnom od fizičkih karakteristika izvora zračenja (pobuda spektra) - temperature, koncentracije elektrona, vremena boravka atoma u zoni pobuđivanja spektra, stabilnosti moda izvora itd. Za rješavanje konkretnog analitičkog problema potrebno je odabrati odgovarajući izvor zračenja, postići optimizaciju njegovih karakteristika različitim metodama - korištenjem inertne atmosfere, nametanjem magnetnog polja, uvođenjem posebnih tvari koje stabiliziraju temperaturu pražnjenja. , stepen jonizacije atoma, difuzioni procesi na optimalnom nivou itd. S obzirom na raznolikost faktora međusobnog utjecaja, u ovom slučaju se često koriste metode matematičkog planiranja eksperimenata.
U analizi čvrstih materija najčešće se koriste lučna (DC i AC) i iskrista pražnjenja, napajana posebno dizajniranim stabilizacionim generatorima (često elektronski kontrolisanim). Kreirani su i univerzalni generatori uz pomoć kojih se dobijaju pražnjenja različitih tipova sa promenljivim parametrima koji utiču na efikasnost pobudnih procesa ispitivanih uzoraka. Čvrsti električno provodljivi uzorak može direktno poslužiti kao elektroda luka ili varnice; Nevodljivi čvrsti uzorci i prahovi se postavljaju u udubljenja ugljičnih elektroda jedne ili druge konfiguracije. U ovom slučaju se vrši i potpuno isparavanje (prskanje) analita i frakciono isparavanje potonjeg i ekscitacija komponenti uzorka u skladu sa njihovim fizičkim i hemijskim svojstvima, što omogućava povećanje osjetljivosti i točnosti analize. . Da bi se pojačao efekat frakcionisanja isparavanja, široko se koriste aditivi analiziranoj supstanci reagensa, koji pospešuju stvaranje visoko hlapljivih jedinjenja (fluoridi, hloridi, sulfidi itd.) elemenata koji se određuju na visokoj temperaturi [( 5-7) 10 3 K] uslovi ugljičnog luka. Za analizu geoloških uzoraka u obliku praha široko se koristi metoda izlivanja ili uduvavanja uzoraka u zonu lučnog pražnjenja ugljika.
U analizi metalurških uzoraka, pored varničkih pražnjenja različitih tipova, koriste se i izvori svetlosti užarenog pražnjenja (Grimove lampe, pražnjenje u šupljoj katodi). Razvijeni su kombinovani automatizovani izvori u kojima se za isparavanje ili raspršivanje koriste lampe sa užarenim pražnjenjem ili elektrotermički analizatori, a za dobijanje spektra se, na primer, koriste visokofrekventni plazmatroni. U ovom slučaju moguće je optimizirati uslove isparavanja i pobude elemenata koji se određuju.
Kada se analiziraju tečni uzorci (rastvori), najbolji rezultati se postižu korišćenjem visokofrekventnih (HF) i mikrotalasnih (UHF) plazmatrona koji rade u inertnoj atmosferi, kao i fotometrijskom analizom plamena (vidi ). Za stabilizaciju temperature pražnjene plazme na optimalnom nivou, uvode se aditivi lako jonizujućih supstanci, kao što su alkalni metali. Posebno se uspješno koristi RF pražnjenje s induktivnom spregom toroidne konfiguracije (slika 1). Odvaja zone apsorpcije RF energije i zone pobuđivanja spektra, što omogućava dramatično povećanje efikasnosti pobude i korisnog analitičkog odnosa signal-šum i, na taj način, postizanje vrlo niske granice detekcije za širok spektar elemenata. Uzorci se ubrizgavaju u zonu pobude pomoću pneumatskih ili (rijetko) ultrazvučnih atomizera. U analizi korišćenjem RF i mikrotalasnih plazmatrona i plamene fotometrije, relativna standardna devijacija je 0,01-0,03, što u nekim slučajevima omogućava korišćenje spektralne analize umesto tačnih, ali radno intenzivnijih i dugotrajnijih metoda hemijske analize.
Za analizu gasnih mešavina potrebne su posebne vakuumske instalacije; spektri se pobuđuju korišćenjem RF i mikrotalasnog pražnjenja. Zbog razvoja plinske hromatografije, ove metode se rijetko koriste.
Rice. 1. RF plazma gorionik: 1-baklja izduvnih gasova; 2-zona ekscitacije spektra; 3-zona apsorpcije RF energije; 4-induktor za grijanje; 5-ulaz rashladnog gasa (azot, argon); 6-ulaz plina koji stvara plazmu (argon); Ulaz za uzorak sa 7 raspršenih (noseći gas - argon).
U analizi supstanci visoke čistoće, kada je potrebno određivanje elemenata čiji je sadržaj manji od 10 -5%, kao i u analizi toksičnih i radioaktivnih materija, uzorci se prethodno obrađuju; na primjer, elementi koji se određuju se djelimično ili potpuno odvajaju od baze i prenose u manju zapreminu rastvora ili unose u manju masu supstance pogodnije za analizu. Za odvajanje komponenti uzorka koriste se frakciona destilacija baze (rjeđe nečistoće), adsorpcija, precipitacija, ekstrakcija, hromatografija i jonska izmjena. Spektralna analiza korištenjem navedenih hemijskih metoda koncentracije uzorka općenito se naziva hemijska spektralna analiza. Dodatne operacije odvajanja i koncentriranja elemenata koji se određuju značajno povećavaju složenost i trajanje analize i pogoršavaju njenu točnost (relativna standardna devijacija dostiže vrijednosti od 0,2-0,3), ali smanjuje granice detekcije za 10-100 puta .
Specifična oblast spektralne analize je mikrospektralna (lokalna) analiza. U ovom slučaju, mikrovolumen tvari (dubina kratera je od nekoliko desetina mikrona do nekoliko mikrona) obično se isparava laserskim impulsom koji djeluje na dio površine uzorka promjera nekoliko desetina mikrona. Za pobuđivanje spektra najčešće se koristi impulsno iskričko pražnjenje sinhronizovano sa laserskim impulsom. Metoda se koristi u proučavanju minerala, u nauci o metalima.
Spektri se snimaju pomoću spektrografa i spektrometara (kvantometara). Postoji mnogo vrsta ovih instrumenata, koji se razlikuju po sjaju, disperziji, rezoluciji i spektralnom radnom području. Velika luminoznost je neophodna za detekciju slabog zračenja, velika disperzija - za odvajanje spektralnih linija sličnih talasnih dužina u analizi supstanci sa višelinijskim spektrom, kao i za povećanje osetljivosti analize. Kao uređaji koji raspršuju svjetlost koriste se difrakcijske rešetke (ravne, konkavne, navojne, holografske, profilirane) koje imaju od nekoliko stotina do nekoliko hiljada linija po milimetru, znatno rjeđe - kvarcne ili staklene prizme.
Za kvalitativnu spektralnu analizu poželjniji su spektrografi (slika 2) koji snimaju spektre na specijalnim fotografskim pločama ili (rijetko) na fotografskim filmovima, jer omogućavaju vam da proučite cijeli spektar uzorka odjednom (u radnom području uređaja); međutim, oni se takođe koriste za kvantitativnu analizu zbog relativne jeftinosti, dostupnosti i lakoće održavanja. Zacrnjenje spektralnih linija na fotografskim pločama mjeri se pomoću mikrofotometara (mikrodenzitometara). Upotreba računara ili mikroprocesora u ovom slučaju omogućava automatski način merenja, obradu njihovih rezultata i izdavanje konačnih rezultata analize.
Fig.2. Optička šema spektrografa: 1-ulazni prorez; 2-okretno ogledalo; 3-sferno ogledalo; 4-difrakciona rešetka; 5-skala osvjetljenja sijalica; 6-skala; 7-fotografska ploča.
Rice. 3. Šema kvantometra (od 40 registracionih kanala prikazana su samo tri): 1-polihromator; 2-difrakcione rešetke; 3-izlazni prorezi; 4-fotoelektronski množitelj; 5-ulaznih utora; 6 stativa sa izvorima svjetlosti; 7 generatora varničkih i lučnih pražnjenja; 8-elektronski uređaj za snimanje; 9-kontrolni kompjuterski kompleks.
U spektrometrima se fotoelektrično snimanje analitičkih signala vrši pomoću fotomultiplikatora (PMT) uz automatsku obradu podataka na računaru. Fotoelektrični višekanalni (do 40 kanala i više) polihromatori u kvantometrima (slika 3) omogućavaju vam da istovremeno snimate analitičke linije svih utvrđenih elemenata predviđenih programom. Kada se koriste skenirajući monohromatori, višeelementna analiza je obezbeđena velikom brzinom skeniranja po spektru u skladu sa datim programom.
Za određivanje elemenata (C, S, P, As, itd.), čije se najintenzivnije analitičke linije nalaze u UV području spektra na talasnim dužinama manjim od 180-200 nm, koriste se vakuumski spektrometri.
Kod upotrebe kvantometara, trajanje analize je u velikoj mjeri određeno procedurama za pripremu polaznog materijala za analizu. Značajno smanjenje vremena pripreme uzorka postiže se automatizacijom najdužih faza – rastvaranja, dovođenja rastvora u standardni sastav, oksidacije metala, mlevenja i mešanja prahova, uzorkovanja date mase. U mnogim slučajevima, višeelementna spektralna analiza se izvodi u roku od nekoliko minuta, na primjer: u analizi rastvora pomoću automatizovanih fotoelektričnih spektrometara sa RF plazmatronima ili u analizi metala u procesu topljenja sa automatskim uzorkovanjem u izvor zračenja.
Uvod ……………………………………………………………………………………………….2
Mehanizam zračenja…………………………………………………………………………………..3
Distribucija energije u spektru…………………………………………………………….4
Vrste spektra…………………………………………………………………………………………….6
Vrste spektralne analize……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………….
Zaključak……………………………………………………………………………………………..9
Literatura…………………………………………………………………………………………….11
Uvod
Spektar je razlaganje svjetlosti na sastavne dijelove, zrake različitih boja.
Metoda proučavanja hemijskog sastava različitih supstanci pomoću njihovih linijskih emisionih ili apsorpcionih spektra naziva se spektralna analiza. Spektralna analiza zahtijeva zanemarljivu količinu supstance. Brzina i osjetljivost učinili su ovu metodu nezamjenjivom kako u laboratorijima tako i u astrofizici. Pošto svaki hemijski element periodnog sistema emituje linijski emisioni i apsorpcioni spektar koji je karakterističan samo za njega, to omogućava proučavanje hemijskog sastava supstance. Fizičari Kirchhoff i Bunsen prvi su pokušali da ga naprave 1859. godine, nakon što su izgradili spektroskop. Svjetlost je u njega prolazila kroz uski prorez isječen s jedne ivice teleskopa (ova cijev s prorezom naziva se kolimator). Iz kolimatora su zraci padali na prizmu prekrivenu kutijom zalijepljenom unutra crnim papirom. Prizma je skrenula u stranu zrake koje su izlazile iz proreza. Postojao je spektar. Nakon toga, prozor je okačen zavesom i postavljen upaljeni plamenik na utor kolimatora. Komadi različitih supstanci ubacivani su jedan po jedan u plamen svijeće, a oni su kroz drugi teleskop gledali na nastali spektar. Ispostavilo se da vruće pare svakog elementa daju zrake strogo određene boje, a prizma odbija te zrake na strogo određeno mjesto, te stoga nijedna boja nije mogla prikriti drugu. To je dovelo do zaključka da je pronađena radikalno nova metoda hemijske analize - spektrom supstance. Godine 1861, na osnovu ovog otkrića, Kirchhoff je dokazao prisustvo niza elemenata u solarnoj hromosferi, postavljajući temelje astrofizici.
Mehanizam zračenja
Izvor svjetlosti mora trošiti energiju. Svetlost je elektromagnetni talas talasne dužine 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Elektromagnetski talasi se emituju prilikom ubrzanog kretanja naelektrisanih čestica. Ove nabijene čestice su dio atoma. Ali, bez poznavanja kako je atom uređen, ništa pouzdano ne može se reći o mehanizmu zračenja. Jasno je samo da u atomu nema svjetlosti, kao što nema ni zvuka u žicama za klavir. Poput žice koja počinje da zvuči tek nakon udara čekića, atomi rađaju svjetlost tek nakon što su uzbuđeni.
Da bi atom zračio, treba da prenosi energiju. Zračenjem atom gubi energiju koju je primio, a za kontinuirani sjaj tvari neophodan je priliv energije njenim atomima izvana.
Toplotno zračenje. Najjednostavniji i najčešći tip zračenja je toplotno zračenje, u kojem se gubici energije atoma za emisiju svjetlosti nadoknađuju energijom toplinskog kretanja atoma ili (molekula) tijela koje zrače. Što je temperatura tijela viša, atomi se brže kreću. Kada se brzi atomi (molekuli) sudare jedan s drugim, dio njihove kinetičke energije pretvara se u energiju pobude atoma, koji zatim emituju svjetlost.
Izvor toplote zračenja je Sunce, kao i obična žarulja sa žarnom niti. Lampa je vrlo zgodan, ali neekonomičan izvor. Samo oko 12% sve energije oslobođene u lampi električnom strujom pretvara se u svjetlosnu energiju. Izvor toplote svetlosti je plamen. Zrnca čađi se zagrevaju energijom koja se oslobađa tokom sagorevanja goriva i emituju svetlost.
Elektroluminiscencija. Energija potrebna atomima da emituju svjetlost također se može posuditi iz netermalnih izvora. Prilikom pražnjenja u plinovima, električno polje daje elektronima veliku kinetičku energiju. Brzi elektroni doživljavaju sudare sa atomima. Dio kinetičke energije elektrona odlazi na pobuđivanje atoma. Pobuđeni atomi daju energiju u obliku svjetlosnih valova. Zbog toga je pražnjenje u plinu praćeno sjajem. Ovo je elektroluminiscencija.
katodoluminiscencija. Sjaj čvrstih tijela uzrokovan njihovim bombardiranjem elektronima naziva se katodoluminiscencija. Katodoluminiscencija čini da ekrani katodnih cijevi na televizorima svijetle.
Hemiluminiscencija. U nekim hemijskim reakcijama koje oslobađaju energiju, dio te energije se direktno troši na emisiju svjetlosti. Izvor svjetlosti ostaje hladan (ima temperaturu okoline). Ovaj fenomen se naziva hemioluminiscencija.
Fotoluminiscencija. Svjetlost koja pada na supstancu dijelom se odbija, a dijelom apsorbira. Energija apsorbirane svjetlosti u većini slučajeva uzrokuje samo zagrijavanje tijela. Međutim, neka tijela i sama počnu svijetliti direktno pod djelovanjem zračenja upadnog na njih. Ovo je fotoluminiscencija. Svjetlost pobuđuje atome materije (povećava njihovu unutrašnju energiju), nakon čega se sami ističu. Na primjer, svjetleće boje, koje prekrivaju mnoge božićne ukrase, emituju svjetlost nakon što su ozračene.
Svetlost koja se emituje tokom fotoluminiscencije ima, po pravilu, veću talasnu dužinu od svetlosti koja pobuđuje sjaj. Ovo se može posmatrati eksperimentalno. Ako usmjerite svjetlosni snop na posudu s fluoresceitom (organska boja),
prođe kroz filter ljubičaste svjetlosti, tada ova tekućina počinje svijetliti zeleno-žutom svjetlošću, odnosno svjetlošću veće valne dužine od ljubičaste.
Fenomen fotoluminiscencije se široko koristi u fluorescentnim lampama. Sovjetski fizičar S. I. Vavilov predložio je pokrivanje unutrašnje površine cijevi za pražnjenje tvarima koje mogu sjajno svijetliti pod djelovanjem kratkovalnog zračenja iz plinskog pražnjenja. Fluorescentne sijalice su tri do četiri puta ekonomičnije od konvencionalnih sijalica sa žarnom niti.
Navedene su glavne vrste zračenja i izvori koji ih stvaraju. Najčešći izvori zračenja su termalni.
Distribucija energije u spektru
Na ekranu iza refraktivne prizme monohromatske boje u spektru su raspoređene sledećim redosledom: crvena (ima najveću talasnu dužinu među talasima vidljive svetlosti (k = 7,6 (10-7 m i najmanji indeks loma), narandžasta, žuta, zelena, plava, plava i ljubičasta (imaju najmanju talasnu dužinu u vidljivom spektru (f = 4 (10-7 m i najveći indeks prelamanja). Nijedan od izvora ne daje monohromatsko svetlo, odnosno svetlost strogo definisane U to se uvjeravamo eksperimentima razlaganja svjetlosti u spektar pomoću prizme, kao i eksperimentima na interferenciji i difrakciji.
Energija koju svjetlost iz izvora nosi sa sobom raspoređuje se na određeni način na valove svih valnih dužina koje čine svjetlosni snop. Takođe možemo reći da je energija raspoređena po frekvencijama, jer postoji jednostavan odnos između talasne dužine i frekvencije: v = c.
Gustoća toka elektromagnetnog zračenja, ili intenzitet /, određen je energijom &W koja se može pripisati svim frekvencijama. Za karakterizaciju distribucije zračenja po frekvencijama, potrebno je uvesti novu vrijednost: intenzitet po jedinici frekvencijskog intervala. Ova vrijednost se naziva spektralna gustina intenziteta zračenja.
Spektralna gustina toka zračenja može se pronaći eksperimentalno. Za to je potrebno upotrijebiti prizmu za dobivanje spektra zračenja, na primjer, električnog luka i izmjeriti gustinu fluksa zračenja koja pada na male spektralne intervale širine Av.
Ne možete se osloniti na oko kada procjenjujete distribuciju energije. Oko ima selektivnu osjetljivost na svjetlost: maksimum njegove osjetljivosti leži u žuto-zelenoj regiji spektra. Najbolje je iskoristiti svojstvo crnog tijela da gotovo potpuno apsorbira svjetlost svih valnih dužina. U tom slučaju energija zračenja (tj. svjetlost) uzrokuje zagrijavanje tijela. Stoga je dovoljno izmjeriti tjelesnu temperaturu i pomoću nje procijeniti količinu energije koja se apsorbira u jedinici vremena.
Običan termometar je previše osjetljiv da bi se mogao uspješno koristiti u takvim eksperimentima. Potrebni su osjetljiviji instrumenti za mjerenje temperature. Možete uzeti električni termometar, u kojem je osjetljivi element izrađen u obliku tanke metalne ploče. Ova ploča mora biti prekrivena tankim slojem čađi, koja gotovo u potpunosti apsorbira svjetlost bilo koje valne dužine.
Toplotno osjetljivu ploču instrumenta treba postaviti na jedno ili drugo mjesto u spektru. Cijeli vidljivi spektar dužine l od crvenih zraka do ljubičastih odgovara frekvencijskom intervalu od v kr do y f. Širina odgovara malom intervalu Av. Zagrevanjem crne ploče uređaja može se proceniti gustina fluksa zračenja po frekvencijskom intervalu Av. Krećući ploču duž spektra, otkrivamo da je većina energije u crvenom dijelu spektra, a ne u žuto-zelenom, kako se oku čini.
Na osnovu rezultata ovih eksperimenata moguće je nacrtati zavisnost spektralne gustine intenziteta zračenja od frekvencije. Spektralna gustina intenziteta zračenja određena je temperaturom ploče, a frekvenciju nije teško pronaći ako je instrument koji se koristi za razlaganje svjetlosti kalibriran, odnosno ako se zna kojoj frekvenciji odgovara dati dio spektra to.
Iscrtavajući duž apscisne ose vrijednosti frekvencija koje odgovaraju sredinama intervala Av, a duž ordinatne ose spektralne gustoće intenziteta zračenja, dobijamo niz tačaka kroz koje se može povući glatka kriva. Ova kriva daje vizualni prikaz raspodjele energije i vidljivog dijela spektra električnog luka.
Savremena nauka i tehnologija su nezamislive bez poznavanja hemijskog sastava supstanci koje su predmet ljudske aktivnosti. Minerali koje su pronašli geolozi i nove supstance i materijali koje su dobili hemičari prvenstveno se odlikuju svojim hemijskim sastavom. Za pravilno odvijanje tehnoloških procesa u različitim sektorima nacionalne privrede neophodno je tačno poznavanje hemijskog sastava početnih sirovina, poluproizvoda i gotovih proizvoda.
Brzi razvoj tehnologije nameće nove zahtjeve metodama analize materije. Do relativno nedavno, bilo je moguće ograničiti se na određivanje nečistoća prisutnih u koncentracijama do 10–2–10–3%. Pojava i brzi razvoj u poslijeratnim godinama industrije atomskih materijala, kao i proizvodnje tvrdih, otpornih na toplinu i drugih specijalnih čelika i legura, zahtijevali su povećanje osjetljivosti analitičkih metoda na 10–4–10– 6%, jer je utvrđeno da prisustvo nečistoća i u tako malim koncentracijama značajno utiče na svojstva materijala i tok nekih tehnoloških procesa.
U posljednje vrijeme, u vezi s razvojem industrije poluvodičkih materijala, postavljaju se još veći zahtjevi na čistoću supstanci, a samim tim i na osjetljivost analitičkih metoda - potrebno je odrediti nečistoće čiji je sadržaj potpuno zanemariv. (10-7–10-9%). Naravno, takva ultravisoka čistoća supstanci je potrebna samo u pojedinačnim slučajevima, ali je u ovom ili onom stepenu povećanje osjetljivosti analize postalo neophodan zahtjev u gotovo svim područjima nauke i tehnologije.
U proizvodnji polimernih materijala koncentracija nečistoća u početnim supstancama (monomerima) bila je vrlo visoka - često desetine, pa čak i cijeli broj postotaka. Nedavno je otkriveno da kvalitet mnogih gotovih polimera u velikoj mjeri ovisi o njihovoj čistoći. Stoga se trenutno početna nezasićena jedinjenja i neki drugi monomeri ispituju na prisustvo nečistoća, čiji sadržaj ne bi trebalo da prelazi 10–2–10–4%. U geologiji se sve više koriste hidrohemijske metode istraživanja rudnih ležišta. Za njihovu uspješnu primjenu potrebno je odrediti soli metala u prirodnim vodama u koncentraciji od 10-4-10-8 g/l pa čak i manje.
Trenutno se postavljaju povećani zahtjevi ne samo u pogledu osjetljivosti analize. Uvođenje novih tehnoloških procesa u proizvodnju obično je usko povezano sa razvojem metoda koje omogućavaju dovoljno veliku brzinu i tačnost analize. Uz to, analitičke metode zahtijevaju visoke performanse i mogućnost automatizacije pojedinačnih operacija ili cijele analize. Hemijske metode analize ne ispunjavaju uvijek zahtjeve savremene nauke i tehnologije. Stoga se u praksu sve više uvode fizičko-hemijske i fizičke metode za određivanje hemijskog sastava koje imaju niz vrijednih karakteristika. Među ovim metodama jedno od glavnih mjesta s pravom zauzima spektralna analiza.
Zbog visoke selektivnosti spektralne analize, moguće je analizirati širok spektar supstanci koristeći istu strujnu šemu, na istim instrumentima, birajući u svakom pojedinačnom slučaju samo najpovoljnije uslove za postizanje maksimalne brzine, osjetljivosti i tačnosti analize. . Stoga, unatoč ogromnom broju analitičkih tehnika namijenjenih analizi različitih objekata, sve se temelje na zajedničkom konceptu.
Spektralna analiza se zasniva na proučavanju strukture svjetlosti koju emituje ili apsorbira analit. Metode spektralne analize se dijele na emisija (emisija - emisija) i apsorpcija (apsorpcija - apsorpcija).
Razmotrimo šemu spektralne analize emisije (slika 6.8a). Da bi supstanca emitovala svjetlost, potrebno joj je prenijeti dodatnu energiju. Atomi i molekuli analita tada prelaze u pobuđeno stanje. Vraćajući se u svoje normalno stanje, odaju višak energije u obliku svjetlosti. Priroda svjetlosti koju emituju čvrste tvari ili tekućine obično vrlo malo ovisi o kemijskom sastavu i stoga se ne može koristiti za analizu. Zračenje plinova ima potpuno drugačiji karakter. Određuje se sastavom analiziranog uzorka. S tim u vezi, u analizi emisije, prije ekscitacije tvari, ona mora biti isparena.
Rice. 6.8.
A - emisija: b – apsorpcija: 1 - izvor svjetlosti; 2 – rasvjetni kondenzator; 3 – kiveta za analizirani uzorak; 4 – spektralni uređaj; 5 – registracija spektra; 6 – određivanje talasne dužine spektralnih linija ili traka; 7 – kvalitativna analiza uzorka pomoću tabela i atlasa; 8 – određivanje intenziteta linija ili traka; 9 – kvantitativna analiza uzorka prema kalibracionoj krivulji; λ je talasna dužina; J je intenzitet traka
Isparavanje i ekscitacija se vrše u izvori svjetlosti, u koji se unosi analizirani uzorak. Kao izvori svjetlosti koriste se visokotemperaturni plamen ili razne vrste električnog pražnjenja u plinovima: luk, iskra itd. Da bi se dobilo električno pražnjenje željenih karakteristika, generatori.
Visoke temperature (hiljade i desetine hiljada stepeni) u izvorima svjetlosti dovode do raspadanja molekula većine tvari na atome. Stoga emisione metode služe, po pravilu, za atomsku analizu, a vrlo rijetko za molekularnu analizu.
Zračenje izvora svjetlosti je zbir zračenja atoma svih elemenata prisutnih u uzorku. Za analizu je potrebno izolovati zračenje svakog elementa. Ovo se radi pomoću optičkih instrumenata - spektralni uređaji, u kojoj su svetlosni zraci različitih talasnih dužina odvojeni u prostoru jedan od drugog. Zračenje izvora svjetlosti, razloženo na valne dužine, naziva se spektar.
Spektralni uređaji su dizajnirani na način da svjetlosne vibracije svake valne dužine koje ulaze u uređaj čine jednu liniju. Koliko je različitih valova bilo prisutno u zračenju izvora svjetlosti, toliko se linija dobije u spektralnom aparatu.
Atomski spektri elemenata sastoje se od pojedinačnih linija, pošto u zračenju atoma postoje samo određeni talasi (slika 6.9a). U zračenju vrućih čvrstih ili tečnih tijela postoji svjetlost bilo koje valne dužine. Odvojene linije u spektralnom aparatu spajaju se jedna s drugom. Takvo zračenje ima kontinuirani spektar (slika 6.9f). Za razliku od linijskog spektra atoma, spektri molekularne emisije supstanci koje se nisu raspale na visokoj temperaturi su prugaste (slika 6.96). Svaki pojas je formiran od velikog broja blisko raspoređenih linija.
Svjetlost, razložena na spektar u spektralnom aparatu, može se vidjeti vizualno ili snimiti pomoću fotografije ili fotoelektričnih uređaja. Dizajn spektralnog aparata zavisi od metode snimanja spektra. Spektri se koriste za vizuelno posmatranje spektra. spektroskopi – čeličnoskopi I stiliometri. Spektri se fotografišu pomoću spektrografi. Spektralni uređaji - monohromatori - dozvoliti da se emituje svetlost jedne talasne dužine, nakon čega se može registrovati pomoću fotoćelije ili drugog električnog prijemnika svetlosti.
Rice. 6.9.
A - podstavljena; 6 - prugasta; vidljive su pojedinačne linije koje čine traku; V - solidno. Najtamnija mjesta u spektru odgovaraju najvećem intenzitetu svjetlosti (negativna slika); λ je talasna dužina
U kvalitativnoj analizi potrebno je odrediti koji element emituje jednu ili drugu liniju u spektru analiziranog uzorka. Da biste to učinili, morate pronaći valnu dužinu linije prema njenom položaju u spektru, a zatim pomoću tablica odrediti njenu pripadnost jednom ili drugom elementu. Da vidite uvećanu sliku spektra na fotografskoj ploči i odredite talasnu dužinu, merni mikroskopi , spektralni projektori i drugih pomoćnih uređaja.
Intenzitet spektralnih linija raste sa koncentracijom elementa u uzorku. Stoga je za provođenje kvantitativne analize potrebno pronaći intenzitet jedne spektralne linije elementa koji se određuje. Intenzitet linije se meri ili njenim zacrnjivanjem na fotografiji spektra ( spektrogram ) ili neposredno prema veličini svjetlosnog toka koji izlazi iz spektralnog aparata. Količina zacrnjenja linija na spektrogramu je određena pomoću mikrofotometri.
Odnos između intenziteta linije u spektru i koncentracije elementa u analiziranom uzorku utvrđuje se pomoću standardi - uzorci slični onima koji se analiziraju, ali sa tačno poznatim hemijskim sastavom. Ovaj odnos se obično izražava u obliku kalibracionih krivulja.
Šema za izvođenje spektralne analize apsorpcije (slika 6.8b) razlikuje se od sheme koja je već razmatrana samo u svom početnom dijelu. Izvor svjetlosti je zagrijano čvrsto tijelo ili drugi izvor kontinuiranog zračenja, tj. zračenje bilo koje talasne dužine. Analizirani uzorak se postavlja između izvora svjetlosti i spektralnog aparata. Spektar supstance se sastoji od TC talasnih dužina, čiji se intenzitet smanjivao tokom prolaska kontinuirane svetlosti kroz ovu supstancu (slika 6.10). Pogodno je grafički prikazati spektar apsorpcije tvari, crtajući talasnu dužinu duž ose apscise, i količinu apsorpcije svjetlosti od strane tvari duž ose ordinate.
Rice. 6.10.
A - fotografski; b – grafički; I je spektar kontinuiranog izvora svjetlosti; II - spektar istog zračenja nakon prolaska kroz analizirani uzorak
Spektri apsorpcije se dobijaju pomoću spektralnog aparata - spektrofotometri, koji uključuju kontinuirani izvor svjetlosti, monohromator i uređaj za snimanje.
Inače, šeme analize apsorpcije i emisije su iste.
Spektralna analiza spektrom emisije ili apsorpcije uključuje sljedeće operacije.
- 1. Dobivanje spektra analiziranog uzorka.
- 2. Određivanje talasne dužine spektralnih linija ili traka. Nakon toga se uz pomoć tabela ili atlasa utvrđuje njihova pripadnost pojedinim elementima ili spojevima, tj. pronaći kvalitativni sastav uzorka.
- 3. Mjerenje intenziteta spektralnih linija ili traka koje pripadaju pojedinim elementima ili jedinjenjima, što omogućava pronalaženje njihove koncentracije u analiziranom uzorku prema kalibracionim grafovima koji su prethodno napravljeni pomoću standarda, tj. pronaći kvantitativni sastav uzorka.
Čitav proces izvođenja spektralne analize sastoji se, kao što smo vidjeli, od nekoliko faza. Ove faze se mogu proučavati uzastopno, nezavisno jedna od druge, a zatim razmotriti njihov odnos.
Uz pomoć spektralne analize moguće je odrediti i atomski (elementarni) i molekularni sastav tvari. Spektralna analiza omogućava kvalitativno otkrivanje pojedinih komponenti analiziranog uzorka i kvantitativno određivanje njihovih koncentracija.
Supstance sa vrlo sličnim hemijskim svojstvima, koje je teško ili čak nemoguće analizirati hemijskim metodama, lako se određuju spektralno. Na primjer, relativno je lako analizirati mješavinu rijetkih zemljanih elemenata ili mješavinu inertnih plinova. Koristeći spektralnu analizu, moguće je odrediti izomerna organska jedinjenja sa vrlo sličnim hemijskim svojstvima.
Metode atomske spektralne analize, kvalitativne i kvantitativne, sada su mnogo bolje razvijene od molekularnih i imaju širu praktičnu primjenu. Atomska spektralna analiza koristi se za analizu širokog spektra objekata. Obim njegove primene je veoma širok: crna i obojena metalurgija, mašinstvo, geologija, hemija, biologija, astrofizika i mnoge druge grane nauke i industrije.
Treba napomenuti da širina i obim praktične primjene molekularne spektralne analize, posebno u novije vrijeme, brzo i kontinuirano rastu. To je prvenstveno zbog razvoja i proizvodnje spektralno-analitičke opreme za ovu metodu.
Područje primjene molekularne spektralne analize pokriva uglavnom organske tvari, iako se mogu uspješno analizirati i neorganska jedinjenja. Molekularna spektralna analiza uvodi se uglavnom u hemijsku, preradu nafte i hemijsko-farmaceutsku industriju.
Osetljivost spektralne analize je veoma visoka. Minimalna koncentracija analita koja se može detektovati i izmeriti spektralnim metodama uveliko varira u zavisnosti od svojstava ove supstance i sastava analiziranog uzorka. Direktnom analizom, pri određivanju većine metala i niza drugih elemenata, za neke supstance se relativno lako postiže osjetljivost 10-3-a, čak i 10-5-1-6%. I samo u posebno nepovoljnim slučajevima, osjetljivost se smanjuje na 10-1-10-2%. Upotreba preliminarnog odvajanja nečistoća iz baze uzorka omogućava značajno (često hiljade puta) povećanje osjetljivosti analize. Zbog svoje visoke osjetljivosti, atomska spektralna analiza se široko koristi za analizu čistih i ultračistih metala, u geohemiji i nauci tla za određivanje mikrokoncentracija različitih elemenata, uključujući rijetke i elemente u tragovima, u industriji atomskih i poluvodičkih materijala.
Osetljivost molekularne spektralne analize za različite supstance varira još više. U velikom broju slučajeva teško je odrediti supstance čiji sadržaj u analiziranom uzorku iznosi procente i desetine procenta, ali se mogu navesti i primjeri vrlo visoke osjetljivosti molekularne analize od 10–7–10–8%. Preciznost atomske spektralne analize zavisi od sastava i strukture analiziranih objekata. Prilikom analize uzoraka koji su slični po strukturi i sastavu lako se može postići visoka preciznost. Greška u ovom slučaju ne prelazi ±1–3% u odnosu na utvrđenu vrijednost. Stoga je, na primjer, serijska spektralna analiza metala i legura tačna. U metalurgiji i mašinstvu, spektralna analiza je sada postala glavna analitička metoda.
Tačnost analize supstanci čiji sastav i struktura uveliko varira od uzorka do uzorka je znatno niža, ali se u posljednje vrijeme situacija u ovoj oblasti znatno popravila. Kvantitativna spektralna analiza ruda, minerala, stijena, šljake i sličnih objekata postala je moguća. Iako problem još nije u potpunosti riješen, kvantitativna analiza nemetalnih uzoraka danas se široko koristi u mnogim industrijama - u metalurgiji, geologiji, u proizvodnji vatrostalnih materijala, stakla i drugih vrsta proizvoda.
Relativna greška određivanja u atomskoj spektralnoj analizi malo zavisi od koncentracije. Ostaje gotovo konstantan kako u analizi malih nečistoća i aditiva, tako iu određivanju glavnih komponenti uzorka. Preciznost hemijskih metoda analize značajno opada sa prelaskom na određivanje nečistoća. Stoga je atomska spektralna analiza preciznija od hemijske analize u području niskih koncentracija. Pri srednjim koncentracijama (0,1–1%) analita, tačnost obe metode je približno ista, ali u oblasti visokih koncentracija tačnost hemijske analize je po pravilu veća. Molekularna spektralna analiza obično daje veću tačnost određivanja od atomske, i nije inferiorna u preciznosti od kemijske čak i pri visokim koncentracijama.
Brzina spektralne analize značajno premašuje brzinu analize drugim metodama. Ovo se objašnjava činjenicom da spektralna analiza ne zahtijeva prethodno odvajanje uzorka na pojedinačne komponente. Osim toga, sama analiza je vrlo brza. Dakle, korišćenjem savremenih metoda spektralne analize, precizno kvantitativno određivanje nekoliko komponenti u složenom uzorku traje svega nekoliko minuta od trenutka dostavljanja uzorka u laboratoriju do dobijanja rezultata analize. Trajanje analize se, naravno, povećava kada je potrebna prethodna obrada uzorka da bi se poboljšala tačnost ili osjetljivost.
Velika brzina spektralne analize usko je povezana sa njenom visokom produktivnošću, što je veoma važno za masovne analize. Zbog visoke produktivnosti i male potrošnje reagensa i drugih materijala, cijena jedne analize pri korištenju spektralnih metoda je obično mala, unatoč značajnim početnim troškovima za nabavku spektralne analitičke opreme. Štaviše, po pravilu, što su početni troškovi veći i što je teža preliminarna priprema analitičke metode, to je brža i jeftinija implementacija masovnih analiza.
U suštini, spektralna analiza je instrumentalna metoda. Uz korištenje moderne opreme, mali je broj operacija koje zahtijevaju intervenciju spektroskopista. Utvrđeno je da se ove preostale operacije mogu automatizirati. Dakle, spektralna analiza omogućava pristup potpunoj automatizaciji određivanja hemijskog sastava supstance.
Spektralna analiza je univerzalna. Može se koristiti za određivanje gotovo svih elemenata i spojeva u širokom spektru čvrstih, tekućih i plinovitih analitičkih objekata.
Spektralnu analizu karakteriše visoka selektivnost. To znači da se gotovo svaka tvar može kvalitativno i kvantitativno odrediti u složenom uzorku bez odvajanja.
Emisioni spektri. Spektralni sastav zračenja u različitim supstancama ima vrlo raznolik karakter. Međutim, svi spektri su podijeljeni u tri tipa: a) kontinuirani spektar; b) linijski spektar; c) prugasti spektar.
A) Kontinuirani (kontinuirani) spektar. Vruća čvrsta i tečna tijela i plinovi (pri visokom pritisku) emituju svjetlost, čije razlaganje daje kontinuirani spektar, u kojem se spektralne boje neprekidno mijenjaju jedna u drugu. Priroda kontinuiranog spektra i sama činjenica njegovog postojanja određuju ne samo svojstva pojedinačnih zračećih atoma, već i međusobna interakcija atoma. Kontinuirani spektri su isti za različite supstance i stoga se ne mogu koristiti za određivanje sastava supstance.
b) Linijski (atomski) spektar. Pobuđeni atomi razrijeđenih plinova ili para emituju svjetlost, čije razlaganje daje linijski spektar koji se sastoji od pojedinačnih obojenih linija. Svaki hemijski element ima svoj karakterističan linijski spektar. Atomi takvih supstanci ne stupaju u interakciju jedni s drugima i emituju svjetlost samo određenih valnih dužina. Izolovani atomi datog hemijskog elementa emituju striktno definisane talasne dužine. Ovo omogućava da se proceni hemijski sastav izvora svetlosti na osnovu spektralnih linija.
V) Molekularni (prugasti) spektar Spektar molekula sastoji se od velikog broja pojedinačnih linija koje se spajaju u trake, jasne na jednom kraju i mutne na drugom. Za razliku od linijskih spektra, prugaste spektre ne proizvode atomi, već molekuli koji nisu povezani ili slabo povezani jedni s drugima. Nizovi vrlo bliskih linija grupirani su u zasebne dijelove spektra i ispunjavaju cijele trake. Godine 1860. njemački naučnici G. Kirchhoff i R. Bunsen, proučavajući spektre metala, utvrdili su sljedeće činjenice:
1) svaki metal ima svoj spektar;
2) spektar svakog metala je striktno konstantan;
3) unošenje bilo koje soli istog metala u plamen gorionika uvek dovodi do pojave istog spektra;
4) kada se u plamen unese mešavina soli više metala, sve njihove linije se istovremeno pojavljuju u spektru;
5) sjaj spektralnih linija zavisi od koncentracije elementa u datoj supstanci.
Spektri apsorpcije. Ako se bijela svjetlost iz izvora koji daje kontinuirani spektar prođe kroz pare ispitivane supstance, a zatim se razloži u spektar, tada se na pozadini kontinuiranog spektra uočavaju tamne apsorpcione linije na istim mjestima gdje se pojavljuju linije emisioni spektar para elementa koji se proučava bi bio. Takvi spektri se nazivaju spektri atomske apsorpcije.
Sve supstance čiji su atomi u pobuđenom stanju emituju svetlosne talase čija je energija raspoređena na određeni način po talasnim dužinama. Apsorpcija svjetlosti od strane tvari također zavisi od talasne dužine. Atomi apsorbuju samo one talasne dužine zračenja koje mogu emitovati na datoj temperaturi.
Spektralna analiza. Fenomen disperzije se koristi u nauci i tehnologiji u obliku metode za određivanje sastava supstance, koja se naziva spektralna analiza. Ova metoda se temelji na proučavanju svjetlosti koju emituje ili apsorbira supstanca. Spektralna analiza naziva metodom proučavanja hemijskog sastava supstance, zasnovanom na proučavanju njenih spektra.
Spektralni aparat. Spektralni uređaji se koriste za dobijanje i proučavanje spektra. Najjednostavniji spektralni instrumenti su prizma i difrakciona rešetka. Tačnije - spektroskop i spektrograf.
spektroskop Uređajem se naziva uređaj kojim se vizualno ispituje spektralni sastav svjetlosti koju emituje određeni izvor. Ako je spektar snimljen na fotografskoj ploči, tada se uređaj naziva spektrograf.
Primjena spektralne analize. Linijski spektri igraju posebno važnu ulogu jer je njihova struktura direktno povezana sa strukturom atoma. Na kraju krajeva, ove spektre stvaraju atomi koji ne doživljavaju vanjske utjecaje. Sastav složenih, uglavnom organskih smjesa analizira se njihovim molekularnim spektrom.
Uz pomoć spektralne analize moguće je otkriti ovaj element u sastavu složene tvari, čak i ako njegova masa ne prelazi 10 -10 g. Linije svojstvene ovom elementu omogućavaju kvalitativno suditi o njegovom prisustvu. Osvetljenost linija omogućava (podložno standardnim uslovima ekscitacije) da se kvantitativno proceni prisustvo jednog ili drugog elementa.
Spektralna analiza se takođe može izvesti korišćenjem apsorpcionih spektra. U astrofizici, spektri se mogu koristiti za određivanje mnogih fizičkih karakteristika objekata: temperatura, pritisak, brzina, magnetna indukcija itd. Pomoću spektralne analize utvrđuje se hemijski sastav ruda i minerala.
Glavne oblasti primene spektralne analize su: fizička i hemijska proučavanja; mašinstvo, metalurgija; nuklearna industrija; astronomija, astrofizika; kriminalistika.
Moderne tehnologije za stvaranje najnovijih građevinskih materijala (metal-plastika, plastika) direktno su povezane sa takvim fundamentalnim naukama kao što su hemija i fizika. Ove nauke koriste moderne metode za proučavanje supstanci. Stoga se spektralna analiza može koristiti za određivanje hemijskog sastava građevinskih materijala po njihovim spektrima.