Spektrális elemzés és alkalmazása. Spektrális elemzési módszerek
A modern tudomány és technológia elképzelhetetlen az emberi tevékenység tárgyát képező anyagok kémiai összetételének ismerete nélkül. A geológusok által talált ásványokat és a vegyészek által beszerzett új anyagokat és anyagokat elsősorban kémiai összetételük jellemzi. For korrekt menedzsment technológiai folyamatok sokféle iparágban nemzetgazdaság az alapanyag, a köztes és a késztermékek kémiai összetételének pontos ismerete szükséges.
A technológia gyors fejlődése egyre újabb követelményeket támaszt az anyagok elemzési módszereivel szemben. Újabban lehetőség volt arra, hogy a 10-2-10-3%koncentrációban lévő szennyeződések meghatározására szorítkozzunk. A háború utáni években az atomenergia-ipar megjelenése és gyors fejlődése, valamint a kemény, hőálló és egyéb speciális acélok és ötvözetek gyártása megkövetelte az analitikai módszerek érzékenységének növelését 10-4 10-6%, mivel azt találták, hogy a szennyeződések jelenléte még ilyen kis koncentrációban is jelentősen befolyásolja az anyagok tulajdonságait és egyes technológiai folyamatok menetét.
A közelmúltban a félvezető anyagok iparának fejlődésével összefüggésben még magasabb követelményeket támasztanak az anyagok tisztaságával, és következésképpen az analitikai módszerek érzékenységével kapcsolatban - meg kell határozni a szennyeződéseket, amelyek tartalma abszolút elhanyagolható ( 10-7-10-9%). Természetesen ilyen rendkívül nagy tisztaságú anyagokra csak egyedi esetekben van szükség, de bizonyos mértékig az elemzés érzékenységének növekedése vált szükséges követelmény a tudomány és a technológia szinte minden területén.
Termelésben polimer anyagok a kiindulási anyagok (monomerek) szennyeződéseinek koncentrációja nagyon magas volt - gyakran tizedek, vagy akár egész százalék. A közelmúltban felfedezték, hogy sok kész polimer minősége nagyban függ azok tisztaságától. Ezért jelenleg a kezdeti telítetlen vegyületeket és néhány más monomert ellenőriznek szennyeződések jelenlétében, amelyek tartalma nem haladhatja meg a 10-2-10-4%-ot. A geológiában egyre gyakrabban használják az érc lelőhelyek feltárásának hidrokémiai módszereit. Sikeres alkalmazásukhoz meg kell határozni a természetes vizek fémsóit 10-4-10-8 g / l koncentrációban és még ennél is kevesebbet.
Ma már nemcsak az elemzés érzékenységével szemben támasztanak fokozott követelményeket. Az új technológiai folyamatok bevezetése a termelésbe általában szorosan összefügg az olyan módszerek kifejlesztésével, amelyek kellően nagy sebességet és pontosságot biztosítanak az elemzéshez. Ezenkívül analitikai módszerekre van szükség nagy teljesítményű valamint az egyes műveletek vagy a teljes elemzés automatizálásának képessége. A kémiai elemzési módszerek nem mindig felelnek meg a követelményeknek. modern tudományés a technológia. Ezért a kémiai összetétel meghatározására szolgáló fizikai -kémiai és fizikai módszereket, amelyek számos értékes tulajdonsággal rendelkeznek, egyre inkább bevezetik a gyakorlatba. Ezen módszerek közül az egyik fő helyet joggal foglalja el spektrális elemzés.
A spektrális analízis nagy szelektivitása miatt lehetséges ugyanazon sematikus diagram, ugyanazon műszerek segítségével az anyagok széles skálájának elemzése, minden esetben csak a legkedvezőbb feltételeket választva a maximális sebesség, érzékenység és pontosság eléréséhez. elemzés. Ezért annak ellenére, hogy a különböző objektumok elemzésére kifejlesztett analitikai technikák hatalmas száma, mindegyik egy általános sematikus diagramon alapul.
A spektrális elemzés az analit által kibocsátott vagy elnyelt fény szerkezetének tanulmányozásán alapul. A spektrális elemzési módszerek a következőkre oszlanak kibocsátás (kibocsátás - kibocsátás) és abszorpció (felszívódás - felszívódás).
Tekintsük az emissziós spektrális elemzés sémáját (6.8a. Ábra). Annak érdekében, hogy egy anyag fényt bocsásson ki, további energiát kell átadni neki. Ezután az analit atomjai és molekulái gerjesztett állapotba kerülnek. Visszatérve normál állapotukba, fény formájában leadják a felesleges energiát. A szilárd anyagok vagy folyadékok által kibocsátott fény jellege általában nagyon kevéssé függ a kémiai összetételtől, ezért nem használható elemzésre. A gázkibocsátás teljesen más jellegű. Ezt a vizsgált minta összetétele határozza meg. E tekintetben a kibocsátási elemzés során el kell párologtatni az anyag gerjesztése előtt.
Rizs. 6.8.
de - kibocsátás: b - felszívódás: 1 - Fényforrás; 2 – világító kondenzátor; 3 – küvettát az elemzett mintához; 4 - spektrális készülék; 5 - spektrum regisztráció; 6 - spektrális vonalak vagy sávok hullámhosszának meghatározása; 7 - a minta minőségi elemzése táblázatok és atlaszok segítségével; 8 - a vonalak vagy csíkok intenzitásának meghatározása; 9 – a minta mennyiségi elemzése a kalibrációs grafikon szerint; λ a hullámhossz; J a sávok intenzitása
A párolgást és a gerjesztést ben végzik fényforrások, amelybe az elemzett mintát bevezetik. Magas hőmérsékletű lángot használnak fényforrásként ill Különféle típusok elektromos kisülés gázokban: ív, szikra stb a kívánt jellemzőket szolgál generátorok.
A fényforrások magas hőmérséklete (ezer és tízezer fok) a legtöbb anyag molekuláinak atomokká bomlásához vezet. Ezért az emissziós módszereket általában atomanalízisre használják, és csak nagyon ritkán a molekuláris elemzésre.
A fényforrás sugárzása a minta összes elemének atomjaiból származó sugárzás összege. Az elemzéshez el kell különíteni az egyes elemek sugárzását. Ez optikai műszerek segítségével történik - spektrális eszközök, amelyben különböző hullámhosszú fénysugarakat választanak el egymástól a térben. A fényforrás hullámhosszra bontott sugárzását spektrumnak nevezzük.
A spektrális eszközöket úgy tervezték, hogy a készülékbe belépő minden hullámhossz fényrezgése egy sort képezzen. Hány különböző hullám volt jelen a fényforrás sugárzásában, annyi vonalat kapunk a spektrális készülékben.
Az elemek atomspektrumai külön sorokból állnak, mivel az atomok sugárzásában csak bizonyos határozott hullámok vannak (6.9a. Ábra). Az izzó szilárd anyagok vagy folyadékok sugárzása bármilyen hullámhosszú fényt tartalmaz. A spektrális apparátus egyes vonalai összeolvadnak egymással. Az ilyen sugárzásnak folyamatos spektruma van (6.9f. Ábra). Ellentétben az atomok vonalspektrumával, azoknak az anyagoknak a molekuláris emissziós spektruma, amelyeknél nem bomlott le magas hőmérsékletű csíkosak (6.96. ábra). Minden sáv kialakult egy nagy szám egymáshoz közeli sorok.
A spektrális berendezésben spektrummá bontott fény vizuálisan megtekinthető vagy regisztrálható fényképezés vagy fotoelektromos eszközök segítségével. A spektrális készülék kialakítása a spektrum regisztráció módszerétől függ. A spektrumok vizuális megfigyelésére használják spektroszkópok – acéloszkópok és stilométerek. A spektrumokat a segítségével fényképezték spektrográf. Spektrális eszközök - monokromatorok - egy hullámhosszú fény kibocsátása, majd ezt követően fotocella vagy más elektromos fényvevő segítségével regisztrálható.
Rizs. 6.9.
de - uralkodott; 6 - csíkos; látható külön sorok amelyek a csíkot alkotják; ban ben - szilárd. A spektrum legsötétebb helyei a legnagyobb fényintenzitásnak felelnek meg (negatív kép); λ - hullámhossz
A kvalitatív elemzés során meg kell határozni, hogy a vizsgált minta spektrumának melyik eleme sugárzásához tartozik. Ehhez meg kell találni a vonal hullámhosszát a spektrumban elfoglalt helyzete alapján, majd táblázatok segítségével meg kell határozni, hogy egy vagy másik elemhez tartozik. A spektrum kinagyított képének megtekintéséhez fényképlemezen és a hullámhossz meghatározásához használja a mérő mikroszkópokat , spektro kivetítők és egyéb segédeszközök.
A spektrális vonalak intenzitása növekszik az elem koncentrációjának növekedésével a mintában. Ezért a mennyiségi elemzés elvégzéséhez meg kell találni a meghatározandó elem egy spektrális vonalának intenzitását. A vonal intenzitását vagy a spektrumfotón elfeketedésével mérik ( spektrogram ) vagy közvetlenül a spektrális készüléket elhagyó fényáram nagysága szerint. A spektrogramon a vonalak feketedésének mértékét az határozza meg mikrofotométerek.
A spektrum vonalintenzitása és az elem koncentrációja közötti összefüggést a vizsgált mintában a segítségével állapítjuk meg szabványok - minták hasonlóak az elemzetthez, de pontosan ismert kémiai összetételűek. Ezt az összefüggést általában kalibrációs görbék formájában fejezik ki.
Az abszorpciós spektrális elemzés végrehajtásának sémája (6.8b. Ábra) csak a kezdeti részében tér el a már megvizsgált sémától. A fényforrás fűtött szilárd anyag vagy más folyamatos sugárzási forrás, azaz sugárzás bármilyen hullámhosszal. Az elemzendő mintát a fényforrás és a spektrális készülék közé kell helyezni. Egy anyag spektruma mc hullámhosszakból áll, amelyek intenzitása csökken, ha ezen az anyagon áthalad a folyamatos fény (6.10. Ábra). Kényelmes grafikusan ábrázolni az anyagok abszorpciós spektrumát, ábrázolva a hullámhosszat az abszcissza tengelyen, és az ordinátatengelyen - az anyag által elnyelt fény mennyiségét.
Rizs. 6.10.
de - fényképészeti; b - grafikus; I a szilárd fényforrás spektruma; II - ugyanazon sugárzás spektruma a vizsgált mintán való áthaladás után
Az abszorpciós spektrumokat spektrális eszközökkel nyerik - spektrofotométerek, amelyek szilárd fényforrást, monokromátort és rögzítő eszközt tartalmaznak.
Ellenkező esetben az abszorpciós és emissziós elemzési sémák ugyanazok.
Spektrális elemzés emissziós vagy abszorpciós spektrumok a következő műveleteket tartalmazzák.
- 1. A vizsgált minta spektrumának megszerzése.
- 2. Spektrális vonalak vagy sávok hullámhosszának meghatározása. Ezt követően táblázatok vagy atlaszok segítségével állapítják meg bizonyos elemekhez vagy vegyületekhez való tartozásukat, azaz megtalálja a minta minőségi összetételét.
- 3. Bizonyos elemekhez vagy vegyületekhez tartozó spektrális vonalak vagy sávok intenzitásának mérése, amely lehetővé teszi azok koncentrációjának megállapítását az elemzett mintában a szabványok alapján korábban elkészített kalibrációs görbék szerint, azaz keresse meg a minta mennyiségi összetételét.
A spektrális elemzés teljes folyamata, mint láttuk, több szakaszból áll. Ezeket a szakaszokat egymástól függetlenül, egymást követően tanulmányozhatjuk, majd figyelembe vesszük kapcsolatukat.
Spektrális elemzéssel meghatározható az anyag atomi (elemi) és molekuláris összetétele. A spektrális elemzés lehetővé teszi az elemzett minta egyes összetevőinek minőségi felfedezését és koncentrációik mennyiségi meghatározását.
Nagyon hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező anyagok, amelyeket nehéz vagy akár lehetetlen elemezni kémiai módszerek, spektrálisan könnyen meghatározhatók. Például viszonylag könnyű elemezni a ritkaföldfémek elegyét vagy inert gázok keverékét. Spektrális analízissel lehet meghatározni az izomert szerves vegyületek nagyon hasonló kémiai tulajdonságokkal.
Az atomspektrális analízis módszerei - kvalitatív és kvantitatív - ma már sokkal fejlettebbek, mint a molekulárisak, és szélesebb körű gyakorlati alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek. Atomspektrális elemzés sokféle objektum elemzésére használják. Hatálya nagyon széles: vas- és színesfémkohászat, gépipar, geológia, kémia, biológia, asztrofizika és sok más tudomány és iparág.
Meg kell bosszulni, hogy a molekuláris spektrális elemzés gyakorlati alkalmazási területe és terjedelme, különösen az elmúlt években, gyorsan és folyamatosan növekszik. Ez elsősorban ennek a módszernek a spektrális elemző berendezések kifejlesztésének és kibocsátásának köszönhető.
A molekuláris spektrális elemzés alkalmazási területe elsősorban szerves anyagokra terjed ki, bár a szervetlen vegyületek is sikeresen elemezhetők. Molekuláris spektrális elemzés elsősorban a vegyiparban, az olajfinomításban és a vegyipar-gyógyszeriparban kerül bevezetésre.
A spektrális elemzés érzékenysége nagyon magas. A spektrális módszerekkel kimutatható és mérhető analit minimális koncentrációja nagymértékben változik az anyag tulajdonságaitól és a vizsgált minta összetételétől függően. A legtöbb fém és számos más elem meghatározásának közvetlen elemzése viszonylag könnyen elérheti a 10-3 érzékenységet-egyes anyagok esetében pedig még a 10-5-1-6%-os érzékenységet is. És csak különösen kedvezőtlen esetekben az érzékenység 10-1-10-2%-ra csökken. A szennyeződéseknek a mintalapból történő előzetes elválasztása nagymértékben (gyakran ezerszer) növelheti az elemzés érzékenységét. Nagy érzékenysége miatt az atomspektrális analízist széles körben használják a tiszta és nagyon tiszta fémek elemzésére, a geokémiában és a talajtanban, hogy meghatározzák a különböző elemek, köztük a ritka és szétszórt elemek mikrokoncentrációit az atom- és félvezetőanyagok iparában.
A molekuláris spektrális elemzés érzékenysége különböző anyagok esetében még szélesebb tartományban változik. Bizonyos esetekben nehéz meghatározni azokat az anyagokat, amelyek tartalma a vizsgált mintában százalék és tized százalék, de példákat lehet hozni a molekuláris analízis nagyon magas érzékenységére, 10-7-10-8% -ra is. . Az atomspektrális elemzés pontossága az elemzett objektumok összetételétől és szerkezetétől függ. A szerkezetükben és összetételükben hasonló minták elemzésekor könnyen nagy pontosság érhető el. A hiba ebben az esetben nem haladja meg a ± 1-3% -ot a meghatározott értékhez képest. Ezért például a fémek és ötvözetek soros spektrális elemzése pontos. A kohászatban és a gépiparban a spektrális elemzés mára a fő analitikai módszerré vált.
Az olyan anyagok elemzésének pontossága, amelyek összetétele és szerkezete nagymértékben változik mintánként, lényegesen alacsonyabb, de az utóbbi időben ezen a területen is érezhetően javult a helyzet. Ércek, ásványok mennyiségi spektrális elemzése, sziklák, salakok és hasonló tárgyak. Bár a problémát még nem sikerült teljesen megoldani, a nemfémes minták mennyiségi elemzését ma már széles körben használják számos iparágban - a kohászatban, a geológiában, a tűzálló anyagok, üvegek és más típusú termékek gyártásában.
Az atomspektrális elemzés relatív meghatározási hibája kevéssé függ a koncentrációtól. Szinte állandó marad mind a kis szennyeződések és adalékanyagok elemzésében, mind a minta fő összetevőinek meghatározásában. A kémiai elemzési módszerek pontossága jelentősen csökken a szennyeződések meghatározására való áttéréssel. Ezért az atomspektrális elemzés pontosabb, mint a kémiai elemzés az alacsony koncentrációjú tartományban. A meghatározandó anyagok közepes koncentrációjánál (0,1–1%) mindkét módszer pontossága megközelítőleg azonos, de a magas koncentrációk tartományában a kémiai elemzés pontossága általában magasabb. A molekuláris spektrális elemzés általában többet ad nagy pontosságú meghatározások, mint az atomi, és pontossága sem alacsonyabb a vegyi anyagnál, még magas koncentrációk esetén sem.
A spektrális elemzés sokkal gyorsabb, mint más elemzési módszerek. Ez azért van, mert a spektrális elemzés nem igényli a minta előzetes szétválasztását az egyes komponensekre. Ezenkívül maga az elemzés is nagyon gyors. Így a spektrális elemzés modern módszereinek használatakor a komplex minta több komponensének pontos mennyiségi meghatározása csak néhány percet vesz igénybe a minta laboratóriumba szállításának pillanatától az elemzési eredmények megszerzéséig. Az elemzési idő természetesen megnő, ha a minta előfeldolgozására van szükség a pontosság vagy az érzékenység javítása érdekében.
A spektrális elemzés nagy sebessége szorosan összefügg a nagy teljesítményével, ami nagyon fontos a tömegelemzésekhez. A magas termelékenység és a reagensek és egyéb anyagok alacsony fogyasztása miatt alkalmazásonként egy elemzés költsége spektrális módszerekáltalában kicsi, annak ellenére, hogy jelentős kezdeti beruházásokat hajtottak végre spektrális elemző berendezésekbe. TovábbáÁltalában minél magasabbak a kezdeti költségek és minél összetettebb az elemzési eljárás előkészítése, annál gyorsabb és olcsóbb a tömeges elemzések elvégzése.
Lényegében a spektrális elemzés instrumentális módszer. A modern berendezések használatával a spektroszkóp beavatkozását igénylő műveletek száma csekély. Megállapítást nyert, hogy ezek a fennmaradó műveletek is automatizálhatók. Így a spektrális elemzés lehetővé teszi az anyag kémiai összetételének meghatározásának teljes automatizálását.
A spektrális elemzés sokoldalú. Szinte bármilyen elem és vegyület meghatározására használható szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú analitikai tárgyak széles választékában.
A spektrális elemzést nagy szelektivitás jellemzi. Ez azt jelenti, hogy szinte minden anyag minőségileg és mennyiségileg is meghatározható egy összetett mintában, anélkül, hogy elválasztaná.
Gondolt már arra, hogy honnan tudunk a távoli égitestek tulajdonságairól?
Biztosan tudja, hogy ezt a tudást a spektrális elemzésnek köszönhetjük. Azonban gyakran alábecsüljük ennek a módszernek a saját megértéséhez való hozzájárulását. A spektrális elemzés megjelenése megdöntött számos kialakult paradigmát világunk szerkezetéről és tulajdonságairól.
A spektrális elemzésnek köszönhetően van elképzelésünk a kozmosz méretéről és nagyszerűségéről. Hála neki, megszűntünk az Univerzumot a Tejútra korlátozni. A spektrális elemzés sokféle csillagot tár fel előttünk, amelyek születésükről, evolúciójukról és halálukról meséltek. Ez a módszer szinte minden modern, sőt jövőbeli csillagászati felfedezés alapja.
Ismerje meg az elérhetetlent
Két évszázaddal ezelőtt azt hitték, hogy a bolygók és a csillagok kémiai összetétele örökre rejtély marad számunkra. Valóban, ezeknek az éveknek a fényében az űrobjektumok mindig elérhetetlenek maradnak számunkra. Ezért soha nem kapunk tesztmintát egyetlen csillagról vagy bolygóról, és soha nem fogunk tudni azok összetételéről. A spektrális elemzés felfedezése teljesen megcáfolta ezt a tévhitet.
A spektrális elemzés lehetővé teszi, hogy távolról megismerje a távoli objektumok sok tulajdonságát. Természetesen ilyen módszer nélkül a modern gyakorlati csillagászat egyszerűen értelmetlen.
Vonalak a szivárványon
A nap spektrumának sötét vonalait 1802 -ben vette észre Wollaston feltaláló. Maga a felfedező azonban nem különösebben rögzült ezeken a vonalakon. Kiterjedt kutatásaikat és osztályozásukat 1814 -ben Fraunhofer végezte. Kísérletei során észrevette, hogy a Nap, a Szíriusz, a Vénusz és a mesterséges fényforrások saját vonalakkal rendelkeznek. Ez azt jelentette, hogy ezek a vonalak kizárólag a fényforrástól függenek. Nem befolyásolja őket a Föld légköre vagy az optikai eszköz tulajdonságai.
E vonalak természetét 1859 -ben fedezte fel Kirchhoff német fizikus, Robert Bunsen vegyésszel együtt. Kapcsolatot hoztak létre a napspektrum vonalai és a különböző anyagok gőzei kibocsátási vonalai között. Így tették meg azt a forradalmi felfedezést, hogy minden kémiai elemnek saját spektrális vonalai vannak. Következésképpen bármely tárgy sugárzásával megismerhetjük összetételét. Megszületett a spektrális elemzés.
A következő évtizedekben számos kémiai elemet fedeztek fel spektrális elemzéssel. Ide tartozik a hélium, amelyet először a Napon fedeztek fel, és amelyről el is kapta a nevét. Ezért eredetileg kizárólag napelemes gáznak számított, míg három évtizeddel később felfedezték a Földön.
Háromféle spektrum
Mi magyarázza ezt a spektrum viselkedést? A válasz a sugárzás kvantum jellegében rejlik. Mint tudják, amikor egy atom elnyeli az elektromágneses energiát, a külső elektronja magasabb energiaszintre megy. Hasonlóképpen, amikor sugárzik - egy alacsonyabbra. Minden atomnak megvan a maga különbsége az energiaszintekben. Ezért az egyes kémiai elemek abszorpciójának és kibocsátásának egyedi gyakorisága.
Ezeken a frekvenciákon bocsát ki és bocsát ki gázt. Ugyanakkor a szilárd és folyékony testek hevítésük során teljes spektrumot bocsátanak ki, függetlenül azok kémiai összetételétől. Ezért a kapott spektrum három típusra oszlik: folyamatos, vonal spektrum és abszorpciós spektrum. Ennek megfelelően a szilárd és folyékony testek folyamatos spektrumot bocsátanak ki, a gázok pedig lineáris spektrumot. Abszorpciós spektrum figyelhető meg, ha a folyamatos sugárzást egy gáz elnyeli. Más szavakkal, a sokszínű vonalak a vonalspektrum sötét hátterében a sötét vonalaknak felelnek meg az abszorpciós spektrum sokszínű hátterében.
A Napban megfigyelhető abszorpciós spektrum, míg a fűtött gázok vonalspektrumú sugárzást bocsátanak ki. Ez azért van, mert a napfény gömb, bár gáz, nem átlátszó az optikai spektrum számára. Hasonló mintázat figyelhető meg más csillagokban is. Érdekes módon a teljes napfogyatkozás során a nap spektruma lineáris lesz. Valójában ebben az esetben az átlátszó külső rétegekből származik.
A spektroszkópia alapelvei
Az optikai spektrális elemzés technikailag viszonylag egyszerű. Munkája a vizsgált objektum sugárzásának lebontásán és a kapott spektrum további elemzésén alapul. Isaac Newton üvegprizmával 1671 -ben hajtotta végre a fény első "hivatalos" bontását. Tudományos használatra is bevezette a „spektrum” szót. Valójában a fényt ugyanígy fektetve Wollaston fekete vonalakat vett észre a spektrumon. A spektrográfok is ezen az elven működnek.
A fény bontása történhet diffrakciós rácsok használatával is. A fény további elemzése különféle módszerekkel elvégezhető. Kezdetben megfigyelőcsövet, majd kamerát használtak. Napjainkban a kapott spektrumot nagy pontosságú elektronikus eszközök elemzik.
Eddig optikai spektroszkópiáról beszéltünk. A modern spektrális elemzés azonban nem korlátozódik erre a tartományra. A tudomány és a technológia számos területén szinte minden típus spektrális elemzését használják. elektromágneses hullámok- a rádiótól a röntgenig. Természetesen az ilyen vizsgálatokat különböző módszerekkel végzik. Nélkül különböző módszerek spektrális elemzést nem tudnánk modern fizika, kémia, orvostudomány és természetesen a csillagászat.
Spektrális elemzés a csillagászatban
Mint korábban említettük, a Napból indult a spektrális vonalak tanulmányozása. Ezért nem meglepő, hogy a spektrumok vizsgálata azonnal megtalálta az alkalmazását a csillagászatban.
Természetesen a csillagászok első dolga az volt, hogy ezzel a módszerrel tanulmányozták a csillagok és más űrtárgyak összetételét. Így minden csillag megszerezte a saját spektrális típusát, tükrözve légkörük hőmérsékletét és összetételét. Ismertté váltak a bolygók légkörének paraméterei. Naprendszer... A csillagászok közelebb kerültek a gáz halmazállapotú ködök, valamint sok más égi tárgy és jelenség természetének megértéséhez.
A spektrális elemzés segítségével azonban nemcsak a tárgyak minőségi összetételéről lehet tanulni.
Mérje meg a sebességet
Doppler -effektus a csillagászatban Doppler -effektus a csillagászatban
A Doppler -effektust elméletileg egy osztrák fizikus fejlesztette ki 1840 -ben, amely után el is nevezték. Ez a hatás megfigyelhető az elhaladó vonat sípját hallgatva. A közeledő vonat sípmagassága észrevehetően különbözik az induló vonat sípjától. Körülbelül így bizonyították elméletileg a Doppler -hatást. A hatás az, hogy a megfigyelő számára a mozgó forrás hullámhossza torz. A forrás távolságával nő, és a megközelítéssel csökken. Az elektromágneses hullámok hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek.
Amikor a forrás távolabb van, minden sötét csíkok sugárzásának spektrumán a piros oldalra tolódnak. Azok. minden hullámhossz nő. Hasonlóképpen, ahogy a forrás közeledik, az ibolya oldal felé tolódnak. Ez kiváló kiegészítője a spektrális elemzésnek. Most a spektrum vonalai alapján fel lehetett ismerni azt, ami korábban lehetetlennek tűnt. Mérje meg egy űrobjektum sebességét, számítsa ki a bináris csillagok pályájának paramétereit, a bolygó forgási sebességét és még sok mást. A "vöröseltolódás" hatása különleges szerepet játszott a kozmológiában.
Edwin Hubble amerikai tudós felfedezése összehasonlítható a világ heliocentrikus rendszerének Kopernikusz általi fejlesztésével. A különböző ködökben lévő cefeidák fényességét vizsgálva bebizonyította, hogy sok közülük sokkal messzebb található, mint a Tejút. Összehasonlítva a kapott távolságokat a galaxisok spektrumával, Hubble felfedezte híres törvényét. Szerinte a galaxisoktól való távolság arányos a tőlünk való eltávolításuk sebességével. Bár törvénye némileg eltér attól modern kilátások, a Hubble felfedezése kibővítette az univerzum skáláját.
Spektrális elemzés és modern csillagászat
Ma már gyakorlatilag semmilyen csillagászati megfigyelésre nem kerül sor spektrális elemzés nélkül. Segítségével új exobolygókat fedeznek fel, és kibővítik az Univerzum határait. A spektrométerek rovereket és bolygóközi szondákat, űrteleszkópokat és kutató műholdakat hordoznak. Valójában a modern csillagászat nem létezne spektrális elemzés nélkül. Továbbra is a csillagok üres, arctalan fényébe pillantunk, amelyről semmit sem tudunk.
A "spektrális elemzés" felfedezése óta sok vita folyik e kifejezés körül. Először fizikai elv spektrális elemzés a minta elemi összetételének azonosítására szolgáló módszert jelentett a megfigyelt spektrum alapján, amelyet valamilyen magas hőmérsékletű láng-, szikra- vagy ívforrás gerjesztett.
A jövőben a spektrális elemzést más analitikai vizsgálati és spektrális gerjesztési módszerekként kezdték értelmezni:
- Raman módszerek,
- abszorpciós és lumineszcens módszerek.
Végül röntgen- és gamma-spektrumokat fedeztek fel. Ezért helyénvaló, ha spektrális elemzésről beszélünk, az összességét jelenti meglévő módszerek... Azonban gyakrabban használják a spektrumok szerinti azonosítás jelenségét, megértve az emissziós módszereket.
Osztályozási módszerek
Egy másik osztályozási lehetőség a spektrumok molekuláris (a minta molekuláris összetételének meghatározása) és elemi (atomösszetétel meghatározása) felosztása.
A molekuláris módszer az abszorpciós spektrumok, a Raman -szórás és a lumineszcencia vizsgálatán alapul; az atomösszetételt a forró források gerjesztési spektrumaiból határozzák meg (a molekulák főleg elpusztulnak) vagy a röntgen-spektrális vizsgálatok adataiból. De egy ilyen osztályozás nem lehet szigorú, mert néha mindkét módszer azonos.
Spektrális elemzési módszerek osztályozása
A fenti módszerekkel megoldott feladatok alapján a spektrumok szerinti vizsgálat ötvözetek, gázok, ércek és ásványok, késztermékek, tiszta fémek stb. Minden vizsgált objektumnak megvannak a sajátosságai és szabványai. A spektrumanalízisnek két fő területe van:
- Minőségi
- Mennyiségi
Amit a végrehajtásuk során tanulmányoztak, továbbgondoljuk.
Spektrális elemzési módszerek diagramja
Minőségi spektrális elemzés
Minőségi elemzéssel határozzák meg, hogy az elemzett minta mely elemekből áll. Meg kell szerezni a minta spektrumát, bármilyen forrásból gerjesztve, és meg kell határozni, hogy mely elemekhez tartoznak az észlelt spektrális vonalak. Ez egyértelművé teszi, hogy a minta miből áll. A kvalitatív elemzés összetettsége az nagyszámú spektrális vonalak az analitikai spektrogramon, amelyek dekódolása és azonosítása túl fáradságos és pontatlan.Kvantitatív spektrális elemzés
A kvantitatív spektrális elemzés módszere azon a tényen alapul, hogy az analitikus vonal intenzitása a mintában meghatározott elem tartalmának növekedésével növekszik. Ez az összefüggés sok olyan tényezőn alapul, amelyeket számszerűen nehéz kiszámítani. Ezért gyakorlatilag lehetetlen elméletileg kapcsolatot létesíteni a vonalintenzitás és az elem koncentrációja között.
Ezért ugyanazon spektrális vonal intenzitásának relatív méréseit végzik el a meghatározandó elem koncentrációjának változásával. Így ha a gerjesztés és a spektrumok regisztrálásának feltételei változatlanok maradnak, a mért sugárzási energia arányos az intenzitással. Ennek az energiának (vagy attól függő mennyiségnek) a mérése megadja azt az empirikus kapcsolatot, amelyre szükségünk van a mért mennyiség és a mintában lévő elem koncentrációja között.
A spektrális elemzés egy módszer az anyag kémiai összetételének spektrum szerinti meghatározására. Ezt a módszert 1859 -ben G.R. német tudósok fejlesztették ki. Kirchhoff és R.V. Bunsen.
Mielőtt azonban megvizsgálnánk ezt a meglehetősen összetett kérdést, először beszéljünk arról, hogy mi a spektrum.
Hatótávolság(Latin spektrum "video") a fizikában - értékek eloszlása fizikai mennyiség(általában energia, frekvencia vagy tömeg). Általában a spektrum az elektromágneses spektrumot jelenti - az elektromágneses sugárzás frekvenciájának spektrumát (vagy ugyanazt, mint a kvantumok energiája).
A spektrum kifejezést bevezették a tudományos használatba Newton az 1671-1672 években egy sokszínű szivárványszerű csíkot jelöl, amelyet egy napsugár háromszög alakú üvegprizmán való áthaladásával nyernek. "Optika" című munkájában (1704) közzétette a fehér fény prizmáját használó bomlási kísérleteinek eredményeit különböző színű és fénytörésű különálló komponensekké, vagyis megszerezte a napsugárzás spektrumát és elmagyarázta azok természetét. Megmutatta, hogy a szín a fény belső tulajdonsága, és nem prizma hozza, ahogy Bacon a 13. században érvelt. Valójában Newton vetette le az optikai spektroszkópia alapjait: az Optikában leírta mind a három ma használt fénybontási módszert - fénytörés, interferencia(a fényintenzitás újraelosztása több fényhullám egymásra helyezése következtében) és diffrakció(hullámok az akadály körül).
Most térjünk vissza arra, hogy mi a spektrális elemzés.
Ez a módszer értékes és változatos információkat nyújt az égitestekről. Hogyan készül? A fényt elemzik, a fény elemzéséből pedig minőségi és mennyiségi elemeket kémiai összetétel a világítótestet, annak hőmérsékletét, a mágneses mező jelenlétét és erősségét, a látómező mentén történő mozgás sebességét stb.
A spektrális elemzés azon a koncepción alapul, hogy az összetett fény, amikor egyik közegből a másikba (például a levegőből az üvegbe) átjut, alkotórészeire bomlik. Ha ennek a fénynek egy sugarat küldünk a háromszögletű prizma oldallapjára, akkor az üvegben különböző módon megtörve a fehér fényt alkotó sugarak szivárványsávot adnak a képernyőn, amelyet spektrumnak neveznek. A spektrumban minden szín mindig bizonyos sorrendben van elrendezve. Ha elfelejtette ezt a rendelést, nézze meg a képet.
A prizma mint spektrális eszköz
A teleszkópok speciális műszereket használnak a spektrum megszerzésére - spektrográf a távcső lencséje fókusz mögé szerelve. Régebben minden spektrográfát prizmásnak találtak, de most prizma helyett használják diffrakciós rács amely a fehér fényt is spektrummá bontja, diffrakciós spektrumnak nevezzük.
Mindenki tudja, hogy a fény elektromágneses hullámok formájában terjed. Minden szín megfelel az elektromágneses hullám meghatározott hosszának. A spektrum hullámhossza a vörösről az ibolyaszínűre csökken, körülbelül 700 -ról 400 mk -ra. A spektrum ibolyaszínű sugarai mögött ultraibolya sugarak rejlenek, amelyek a szem számára nem láthatók, de hatnak a fényképlapra.
Az orvostudományban használt röntgensugarak még rövidebb hullámhosszúak. Az égitestek röntgensugárzását a Föld légköre késlelteti. Csak a közelmúltban vált tanulmányozhatóvá azáltal, hogy nagy magasságú rakétákat indítottak, amelyek a légkör fő rétege fölé emelkednek. A röntgen megfigyeléseket az űrbolygóközi állomásokra telepített automatikus műszerek is végzik.
A spektrum vörös sugarai mögött infravörös sugarak rejlenek. Láthatatlanok, de különleges fényképlemezeken is hatnak. A spektrális megfigyelések rendszerint az infravörös és az ultraibolya sugarak közötti megfigyeléseket jelentik.
A spektrumok tanulmányozásához műszereket használnak, ún spektroszkóp és spektrográf... A spektrumot spektroszkópban vizsgálják, a spektrográfban lefényképezik. A spektrum fényképét ún spektrogram.
A spektrumok típusai
Írisz spektrum (szilárd vagy folyamatos) szilárd izzótesteket (forró szenet, elektromos lámpa menetét) és hatalmas gáztömegeket adnak nagy nyomás alatt. Vonal spektrum sugárzást ritkított gázok és gőzök termelnek erős hevítés vagy elektromos kisülés hatására. Minden gáznak saját, meghatározott színű fényes vonalai vannak. Színük meghatározott hullámhosszaknak felel meg. Mindig ugyanazon a helyen vannak a spektrumban. A gáz állapotának vagy izzó körülményeinek változása, például hevítés vagy ionizáció bizonyos változásokat okoz az adott gáz spektrumában.
A tudósok táblázatokat állítottak össze, amelyek felsorolják az egyes gázok vonalait, és jelzik az egyes vezetékek fényerejét. Például a nátrium spektrumában két sárga vonal különösen világos. Megállapítást nyert, hogy egy atom vagy molekula spektruma a szerkezetükhöz kapcsolódik, és tükrözi a lumineszcencia folyamatában bekövetkező bizonyos változásokat.
A gázok és gőzök lineáris abszorpciós spektrumot adnak, ha világosabb és melegebb forrás áll mögöttük, folyamatos spektrumot adva. Abszorpciós spektrum folytonos spektrumból áll, amelyet sötét vonalak vágnak le, és amelyek azokon a helyeken találhatók, ahol a gázban rejlő fényes vonalakat kell elhelyezni. Például két sötét nátrium -abszorpciós vonal található a spektrum sárga részében.
Így a spektrális elemzés lehetővé teszi a fényt kibocsátó vagy elnyelő gőzök kémiai összetételének megállapítását; határozza meg, hogy laboratóriumban vagy mennyei testben vannak. A látómezőn fekvő, kibocsátó vagy elnyelő atomok vagy molekulák számát a vonalak intenzitása határozza meg. Minél több atom van, annál világosabb a vonal, vagy sötétebb az abszorpciós spektrum. A nap és a csillagok körül vannak véve gáz atmoszférák... Látható felületük folyamatos spektrumát sötét abszorpciós vonalak vágják le, amelyek akkor jelennek meg, amikor a fény áthalad a csillagok légkörén. ezért a nap és a csillagok spektruma abszorpciós spektrum.
A spektrális elemzés azonban lehetővé teszi, hogy csak önvilágító vagy sugárzást elnyelő gázok kémiai összetételét határozzák meg. A szilárd vagy folyékony test kémiai összetételét spektrális elemzéssel nem lehet meghatározni.
Amikor egy test forró, a vörös rész a legfényesebb a folyamatos spektrumában. További melegítéssel a spektrum legnagyobb fényereje sárgára, majd zöldre, stb. Válik. A kísérletileg tesztelt fénykibocsátási elmélet azt mutatja, hogy a fényerő megoszlása a folyamatos spektrum mentén a testhőmérséklettől függ. Ennek a függőségnek a ismeretében megállapítható a Nap és a csillagok hőmérséklete. A bolygók hőmérsékletét és a csillagok hőmérsékletét szintén a távcső fókuszába helyezett hőelem segítségével határozzák meg. Amikor a termoelem felmelegszik, elektromosság, jellemzi a csillagból érkező hőmennyiséget.
A spektrális elemzést 1859 -ben fedezte fel Bunsen és Kirchhoff, az egyik legrégebbi és legrangosabb kémia és fizika professzora oktatási intézmények Németország - A Heidelbergi Egyetem Ruprecht és Karl nevéhez fűződik. Optikai módszer felfedezése a testek és azok kémiai összetételének tanulmányozására fizikai állapot segített azonosítani az újat kémiai elemek(indium, cézium, rubídium, hélium, tallium és gallium), az asztrofizika megjelenése, és egyfajta áttöréssé vált a tudományos és technológiai fejlődés különböző területein.
Áttörés a tudomány és a technológia területén
A spektrális elemzés jelentősen kibővítette a hatókört tudományos kutatás, amely lehetővé tette a részecskék és atomok minőségének pontosabb meghatározásának elérését, kölcsönös kapcsolataik megértését és annak megállapítását, hogy mi okozza a testek fényenergiáját. Mindez áttöréssé vált a tudomány és a technológia területén, mivel további fejlődésük elképzelhetetlen az emberi tevékenység tárgyát képező anyagok kémiai összetételének világos ismerete nélkül. Ma már nem elegendő a szennyeződések meghatározására korlátozni, új követelményeket támasztanak az anyagok elemzési módszereivel szemben. Így a polimer anyagok gyártásakor nagyon fontos a kiindulási monomerekben lévő szennyeződések ultra-nagy tisztasága, mivel a kész polimerek minősége gyakran ettől függ.
Az új optikai módszer lehetőségei
Fokozott követelményeket támasztanak az olyan módszerek kifejlesztésével is, amelyek biztosítják az elemzés pontosságát és gyorsaságát. A kémiai elemzési módszerek nem mindig elegendőek ezekre a célokra; a kémiai összetétel meghatározására szolgáló fizikai -kémiai és fizikai módszerek számos értékes tulajdonsággal rendelkeznek. Közülük a vezető helyet a spektrális elemzés foglalja el, amely módszerek halmaza a mennyiségi és minőségi meghatározás a vizsgált tárgy összetétele, az anyag és a sugárzás kölcsönhatásának spektrumainak tanulmányozása alapján. Ennek megfelelően ide tartozik az akusztikus hullámok spektruma, az elektromágneses sugárzás, az elemi részecskék energiája és tömegeloszlása is. A spektrális elemzésnek köszönhetően lehetővé vált az anyag kémiai összetételének és hőmérsékletének, a mágneses mező jelenlétének és erősségének, mozgási sebességének és egyéb paramétereinek pontos meghatározása. A módszer az analit által kibocsátott vagy elnyelt fény szerkezetének tanulmányozásán alapul. Amikor egy bizonyos fénysugarat a háromszögletű prizma oldallapjára bocsátanak, a fehér fényt alkotó sugarak töréskor spektrumot hoznak létre a képernyőn, egyfajta szivárványcsíkot, amelyben minden szín mindig egy bizonyos változatlan sorrendben. A fény terjedése elektromágneses hullámok formájában történik, mindegyikük bizonyos hossza megfelel a szivárványcsík egyik színének. Az anyag kémiai összetételének meghatározása a spektrumból nagyon hasonlít a bűnöző ujjlenyomatokkal történő felkutatásának módszeréhez. A lineáris spektrumok, akárcsak az ujjminták, egyedi személyiséggel rendelkeznek. Ennek köszönhetően határozzák meg a kémiai összetételt. A spektrális elemzés lehetővé teszi egy bizonyos komponens kimutatását egy összetett anyag összetételében, amelynek tömege nem magasabb 10-10-nél. Ez egy meglehetősen érzékeny módszer. A spektrumok vizsgálatához spektroszkópokat és spektrográfokat használnak. Az elsőben a spektrumot vizsgálják, és spektrográfok segítségével lefényképezik. Az így kapott képet spektrogramnak nevezik.
Spektrális elemzési típusok
A spektrális elemzési módszer megválasztása nagymértékben függ az elemzés céljától és a spektrumok típusától. Tehát az anyag molekuláris és elemi összetételének meghatározásához atomi és molekuláris elemzéseket használnak. Az összetétel emissziós és abszorpciós spektrumokból történő meghatározása esetén emissziós és abszorpciós módszereket alkalmaznak. Egy objektum izotóp összetételének vizsgálatakor tömegspektrometriás elemzést használhatunk, amely molekuláris vagy atomionok tömegspektrumán alapul.
A módszer előnyei
A spektrális elemzés meghatározza az anyag elemi és molekuláris összetételét, lehetővé teszi a minőségi felfedezést egyes elemek vizsgált mintákat, valamint annak mennyiségi meghatározását. Közel kémiai tulajdonságok Az anyagokat nagyon nehéz kémiai módszerekkel elemezni, de spektrálisan határozzák meg őket probléma nélkül. Ezek például ritkaföldfémek elemei vagy inert gázok. Jelenleg minden atom spektrumát meghatározták, és táblázatukat összeállították.
Spektrális elemzési alkalmazások
A legjobban kifejlesztett technikák az atomspektrális elemzés. Ezeket a geológia, az asztrofizika, a vas- és színesfémkohászat, a kémia, a biológia, a gépipar és más tudomány- és iparágak számos tárgyának értékelésére használják. A közelmúltban a gyakorlati alkalmazási kör és a molekuláris spektrális elemzés egyre bővül. Módszereit a vegyiparban, a vegyiparban és a kőolajfinomító iparban használják kutatásra szerves anyag, ritkábban szervetlen vegyületekre.
Fejlett laboratóriumi diagnosztikai módszerek
A spektrális elemzést széles körben használják az orvostudományban. Arra használják, hogy meghatározzák az emberi testben lévő idegen anyagokat, diagnosztizálják, beleértve a rákot is korai fázis fejlődésüket. Számos betegség jelenléte vagy hiánya laboratóriumi vérvizsgálatokkal határozható meg. Gyakrabban ezek az emésztőrendszer, az urogenitális terület betegségei. A spektrális vérvizsgálattal megállapított betegségek száma fokozatosan növekszik. Ez a módszer biztosítja a legnagyobb pontosságot a vér biokémiai változásainak észlelésében bármely emberi szerv meghibásodása esetén. A vizsgálat során speciális eszközöket rögzítenek infravörös spektrumok Meghatározzuk a molekulák, a vérszérum vibrációs mozgásából eredő abszorpciót és a molekuláris összetételben mutatkozó esetleges eltéréseket. A spektrális elemzés is ellenőrzi ásványi összetétel test. A kutatás anyaga ebben az esetben a haj. Bármilyen egyensúlyhiány, hiány vagy ásványi anyag -mennyiség gyakran különböző betegségekhez kapcsolódik, mint például a vér-, bőr-, szív- és érrendszeri, emésztőrendszeri betegségek, allergiák, gyermekek fejlődési és növekedési zavarai, csökkent immunitás, fáradtság és gyengeség. Az ilyen típusú elemzéseket a legújabb progresszív laboratóriumi diagnosztikai módszereknek tekintik.
A módszer egyedisége
A spektrális elemzés ma az emberi tevékenység szinte minden legjelentősebb területén talált alkalmazást: az iparban, az orvostudományban, a kriminalisztikában és más iparágakban. Ő van kritikus szempont a tudományos haladás fejlődése, valamint az emberi élet szintje és minősége.
