Спектральный анализ
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.
В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно, в эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.
Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
История
Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.
Вскоре выяснилось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г. Кирхгоф и Р. Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.
Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.
Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а в 1861 году — рубидий. Также в 1861 Уильям Крукс при помощи спектрального анализа открыл таллий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы, соответственно).
В 1933 году в Ленинградском институте исторической технологии впервые применили спектральный анализ к древним металлическим изделиям.
Принцип работы
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет.
Темные линии появляются, когда электроны, находящиеся на нижних энергетических уровнях атома, под воздействием излучения от источника света одномоментно поднимаются на более высокий уровень, поглощая при этом световые волны определённой длины, и сразу после этого падают обратно на прежний уровень, излучая волны этой же длины обратно — но так как это излучение рассеивается равномерно во всех направлениях, в отличие от направленного излучения от начального источника, на спектрограмме на спектрах видны тёмные линии в месте/местах, соответствующих данной длине/длинам волн. Эти длины волн различаются для каждого вещества и определяются разницей в энергии между электронными энергетическими уровнями в атомах этого вещества.
Количество таких линий для конкретного вещества равно количеству возможных сингулярных вариантов переходов электронов между энергетическими уровнями; например, если в атомах конкретного вещества электроны расположены на двух уровнях, возможен лишь один вариант перехода — с внутреннего уровня на внешний (и обратно), и на спектрограмме для данного вещества будет одна тёмная линия. Если электронных энергетических уровней три, то возможных вариантов перехода уже три (1-2, 2-3, 1-3), и тёмных линий на спектрограмме будет тоже три.
Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества, необходимого для анализа (в пределах 10—30 мг).
Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
Применение
В последнее время наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре.
Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки.
В теории обработки сигналов, спектральный анализ означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п.
См. также
- Спектроскопия
- Преобразование Фурье
- Корреляция
Примечания
- Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
- Н. М. Лапотышкин. В мире сплавов. М.: Просвещение, 1973. стр. 51
Литература
- Собельман, И. И. Введение в теорию атомных спектров. — М., Наука, 1977. — 320 c.
Ссылки
- База данных спектров всех химических элементов (таблицы)
- MIT Spectroscopy Lab’s History of Spectroscopy
- Timeline of Spectroscopy
- NIST government spectroscopy data.
Для улучшения этой статьи по химии желательно: |
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Спектральный анализ, Что такое Спектральный анализ? Что означает Спектральный анализ?
O filme sm Spektralnyj analiz film Spektralnyj analiz sovokupnost metodov kachestvennogo i kolichestvennogo opredeleniya sostava obekta osnovannaya na izuchenii spektrov vzaimodejstviya materii s izlucheniem vklyuchaya spektry elektromagnitnogo izlucheniya akusticheskih voln raspredeleniya po massam i energiyam elementarnyh chastic i dr Primer linejnogo spektra poglosheniya V zavisimosti ot celej analiza i tipov spektrov vydelyayut neskolko metodov spektralnogo analiza Atomnyj i molekulyarnyj spektralnye analizy pozvolyayut opredelyat elementarnyj i molekulyarnyj sostav veshestva sootvetstvenno v emissionnom i absorbcionnom metodah sostav opredelyaetsya po spektram ispuskaniya i poglosheniya Mass spektrometricheskij analiz osushestvlyaetsya po spektram mass atomarnyh ili molekulyarnyh ionov i pozvolyaet opredelyat izotopnyj sostav obekta IstoriyaTyomnye linii na spektralnyh poloskah byli zamecheny davno naprimer ih otmetil Vollaston no pervoe seryoznoe issledovanie etih linij bylo predprinyato tolko v 1814 godu Jozefom Fraungoferom V ego chest effekt poluchil nazvanie Fraungoferovy linii Fraungofer ustanovil stabilnost polozheniya linij sostavil ih tablicu vsego on naschital 574 linii prisvoil kazhdoj bukvenno cifrovoj kod Ne menee vazhnym stalo ego zaklyuchenie chto linii ne svyazany ni s opticheskim materialom ni s zemnoj atmosferoj no yavlyayutsya prirodnoj harakteristikoj solnechnogo sveta Analogichnye linii on obnaruzhil u iskusstvennyh istochnikov sveta a takzhe v spektrah Venery i Siriusa Vskore vyyasnilos chto odna iz samyh otchyotlivyh linij vsegda poyavlyaetsya v prisutstvii natriya V 1859 godu G Kirhgof i R Bunzen posle serii eksperimentov zaklyuchili kazhdyj himicheskij element imeet svoj nepovtorimyj linejchatyj spektr i po spektru nebesnyh svetil mozhno sdelat vyvody o sostave ih veshestva S etogo momenta v nauke poyavilsya spektralnyj analiz moshnyj metod distancionnogo opredeleniya himicheskogo sostava Dlya proverki metoda v 1868 godu Parizhskaya akademiya nauk organizovala ekspediciyu v Indiyu gde predstoyalo polnoe solnechnoe zatmenie Tam uchyonye obnaruzhili vse tyomnye linii v moment zatmeniya kogda spektr izlucheniya smenil spektr poglosheniya solnechnoj korony stali kak i bylo predskazano yarkimi na tyomnom fone Priroda kazhdoj iz linij ih svyaz s himicheskimi elementami vyyasnyalis postepenno V 1860 godu Kirhgof i Bunzen pri pomoshi spektralnogo analiza otkryli cezij a v 1861 godu rubidij Takzhe v 1861 Uilyam Kruks pri pomoshi spektralnogo analiza otkryl tallij A gelij byl otkryt na Solnce na 27 let ranee chem na Zemle 1868 i 1895 gody sootvetstvenno V 1933 godu v Leningradskom institute istoricheskoj tehnologii vpervye primenili spektralnyj analiz k drevnim metallicheskim izdeliyam Princip rabotyAtomy kazhdogo himicheskogo elementa imeyut strogo opredelyonnye rezonansnye chastoty v rezultate chego imenno na etih chastotah oni izluchayut ili pogloshayut svet Temnye linii poyavlyayutsya kogda elektrony nahodyashiesya na nizhnih energeticheskih urovnyah atoma pod vozdejstviem izlucheniya ot istochnika sveta odnomomentno podnimayutsya na bolee vysokij uroven pogloshaya pri etom svetovye volny opredelyonnoj dliny i srazu posle etogo padayut obratno na prezhnij uroven izluchaya volny etoj zhe dliny obratno no tak kak eto izluchenie rasseivaetsya ravnomerno vo vseh napravleniyah v otlichie ot napravlennogo izlucheniya ot nachalnogo istochnika na spektrogramme na spektrah vidny tyomnye linii v meste mestah sootvetstvuyushih dannoj dline dlinam voln Eti dliny voln razlichayutsya dlya kazhdogo veshestva i opredelyayutsya raznicej v energii mezhdu elektronnymi energeticheskimi urovnyami v atomah etogo veshestva Kolichestvo takih linij dlya konkretnogo veshestva ravno kolichestvu vozmozhnyh singulyarnyh variantov perehodov elektronov mezhdu energeticheskimi urovnyami naprimer esli v atomah konkretnogo veshestva elektrony raspolozheny na dvuh urovnyah vozmozhen lish odin variant perehoda s vnutrennego urovnya na vneshnij i obratno i na spektrogramme dlya dannogo veshestva budet odna tyomnaya liniya Esli elektronnyh energeticheskih urovnej tri to vozmozhnyh variantov perehoda uzhe tri 1 2 2 3 1 3 i tyomnyh linij na spektrogramme budet tozhe tri Intensivnost linij zavisit ot kolichestva veshestva i ego sostoyaniya V kolichestvennom spektralnom analize opredelyayut soderzhanie issleduemogo veshestva po otnositelnoj ili absolyutnoj intensivnostyam linij ili polos v spektrah Opticheskij spektralnyj analiz harakterizuetsya otnositelnoj prostotoj vypolneniya otsutstviem slozhnoj podgotovki prob k analizu neznachitelnym kolichestvom veshestva neobhodimogo dlya analiza v predelah 10 30 mg Atomarnye spektry poglosheniya ili ispuskaniya poluchayut perevedeniem veshestva v paroobraznoe sostoyanie putyom nagrevaniya proby do 1000 10000 C V kachestve istochnikov vozbuzhdeniya atomov pri emissionnom analize tokoprovodyashih materialov primenyayut iskru dugu peremennogo toka pri etom probu pomeshayut v krater odnogo iz ugolnyh elektrodov Dlya analiza rastvorov shiroko ispolzuyut plamya ili plazmu razlichnyh gazov PrimenenieV poslednee vremya naibolshee rasprostranenie poluchili emissionnye i mass spektrometricheskie metody spektralnogo analiza osnovannye na vozbuzhdenii atomov i ih ionizacii v argonovoj plazme indukcionnyh razryadov a takzhe v lazernoj iskre Spektralnyj analiz chuvstvitelnyj metod i shiroko primenyaetsya v analiticheskoj himii astrofizike metallurgii mashinostroenii geologicheskoj razvedke arheologii i drugih otraslyah nauki V teorii obrabotki signalov spektralnyj analiz oznachaet analiz raspredeleniya energii signala naprimer zvukovogo po chastotam volnovym chislam i t p Sm takzheSpektroskopiya Preobrazovanie Fure KorrelyaciyaPrimechaniyaBolshaya rossijskaya enciklopediya v 35 t gl red Yu S Osipov M Bolshaya rossijskaya enciklopediya 2004 2017 N M Lapotyshkin V mire splavov M Prosveshenie 1973 str 51LiteraturaSobelman I I Vvedenie v teoriyu atomnyh spektrov M Nauka 1977 320 c SsylkiBaza dannyh spektrov vseh himicheskih elementov tablicy MIT Spectroscopy Lab s History of Spectroscopy Timeline of Spectroscopy NIST government spectroscopy data Dlya uluchsheniya etoj stati po himii zhelatelno Oformit statyu po pravilam Pozhalujsta posle ispravleniya problemy isklyuchite eyo iz spiska parametrov Posle ustraneniya vseh nedostatkov etot shablon mozhet byt udalyon lyubym uchastnikom
