Виды спектральных анализов различных веществ. Характеристики плазмы

Спектральный анализ вещества. Виды спектрального анализа.

Спектр (лат. Spectrum-видение) в физике – распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр – спектр частот (или то же самое, что энергий квантов) электромагнитного излучения.

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми), непрерывными (сплошными), а также представлять комбинацию (наложение) дискретных и непрерывных спектров.

Примерами линейчатых спектров могут служить масс-спектры и спектры связанно-связанных электронных переходов атома; примерами непрерывных спектров – спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров – спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения.

Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на эмиссионные (спектры излучения), адсорбционные (спектры поглощения) и спектры рассеивания.

Эмиссионный спектр (лат. Emissio — испускание), спектр излучения, спектр испускания – относительная интенсивность электромагнитного излучения объекта исследования по шкале частот.

Обычно изучается излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне от сильно нагретого вещества. Спектр излучения вещества представляют либо в виде горизонтальной цветовой полосы – результат расщепления света от объекта призмой – либо в виде графика относительной интенсивности, либо в виде таблицы.

Рис.3.1 Спектр излучения железа

Рис. 3.2 Спектр излучения водорода

Спектр излучения используется:

- для определения состава материала, так как спектр излучения различен для каждого элемента периодической таблицы Менделеева, например, идентификация состава звёзд по свету от них;

- для определения химического вещества, совместно с другими методами.

При изучении астрономических объектов (звёзды, галактики, квазары, туманности):

- для определения движения объектов и их частей;

- для получения информации о происходящих в них физических процессах;

- для получения информации о структуре объекта и расположении его частей.

Под названием спектральный анализ мы понимаем физический метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул. Эти спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, колебаниями атомных ядер в молекулах и вращением молекул, а также воздействием массы и структуры атомных ядер на положение энергетических уровней; кроме того, они зависят от взаимодействия атомов и молекул с окружающей средой. В соответствии с этим спектральный анализ использует широкий интервал длин волн – от рентгеновских до микрорадиоволн. В спектральный анализ не входят масс-спектроскопические методы анализа, как не относящиеся к области использования электромагнитных колебаний. Задача ограничивается пределами оптических спектров. Однако и эта область достаточно широка, она охватывает вакуумную область ультрафиолетовых излучений, ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра. В практике современный спектральный анализ использует излучения с длиной волны примерно от 0,15 до 40–50 мкм.

Различные типы спектрального анализа следует рассматривать с трех точек зрения.

1.По решаемым задачам:

- элементный, когда устанавливается состав пробы по элементам;

- изотопный, когда устанавливается состав пробы по изотопам;

- молекулярный, когда устанавливается молекулярный состав пробы;

- структурный, когда устанавливаются все или основные структурные составляющие молекулярного соединения.

2.По применяемым методам:

- эмиссионный, использующий спектры излучения, главным образом атомов. Однако возможен эмиссионный анализ и молекулярного состава, например, в случае определения состава радикалов в пламене и газовом разряде. Особым случаем эмиссионного анализа является люминесцентный анализ;

-абсорбционный, использующий спектры поглощения, главным образом молекул и их структурных частей; возможен анализ по спектрам поглощения атомов;

- комбинационный, использующий спектры комбинационного рассеяния твердых, жидких и газообразных проб, возбуждаемые монохроматическим излучением, обычно светом отдельных линий ртутной лампы;

- люминесцентный, использующий спектры люминесценции вещества, возбуждаемые главным образом ультрафиолетовым излучением или катодными лучами;

- рентгеновский, использующий

а) рентгеновские спектры атомов, получающиеся при переходах внутренних электронов в атомах,

б) дифракцию рентгеновских лучей при прохождении их через исследуемый объект для изучения структуры вещества;

-радиоспектроскопический, использующий спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с длинами волн больше 1 мм.

3.По характеру получаемых результатов:

1) качественный, когда в результате анализа определяется состав без указания на количественное соотношение компонентов или дается оценка – много, мало, очень мало, следы;

2) полуколичественный, или грубоколичественный, или приближенный. В этом случае результат выдается в виде оценки содержания компонентов в некоторых более или менее узких интервалах концентраций в зависимости от применяемого метода приближенной количественной оценки. Этот метод благодаря его быстроте нашел широкое применение при решении задач, не требующих точного количественного определения, например, при сортировке металла, при оценке содержания геологических проб при поисках полезных ископаемых;

3) количественный, при котором выдается точное количественное содержание определяемых элементов или соединений в пробе. Все эти типы анализа, за исключением качественных, используют упрощенные или точные методы фотометрирования спектров.

По способу регистрации спектров различаются следующие методы:

визуальные при наблюдении спектров в видимой области с помощью простых или специализированных спектроскопов (стилоскоп, стилометр). В ультрафиолетовой области возможно наблюдение сравнительно ярких спектров с помощью флуоресцирующих экранов, располагаемых вместо фотографической пластинки в кварцевых спектрографах. Применение электронно-оптических преобразователей позволяет визуально наблюдать спектры в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях (до 12000 Ǻ);

фотографические, использующие фотографическую пластинку или пленку для регистрации спектров с последующей обработкой;

фотоэлектрические для ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областей, использующие фотоэлементы разных типов, фотоумножители и фотосопротивления (инфракрасная область). Фотоэлектрические методы иногда называются методами прямого анализа, т. е. анализа без посредства фотографической пластинки;

термоэлектрические для инфракрасной области, в том числе далекой, с использованием термоэлементов, болометров и других типов термоэлектрических приемников. Рассмотренные выше типы спектрального анализа имеют ряд общих черт, поскольку все они используют спектры атомов или молекул как средство для проведения анализа. Действительно, во всех случаях необходимо в первую очередь получить спектр пробы, затем рас­шифровать этот спектр по таблицам или атласам спектров, т. е. найти в этом спектре линии или полосы, характерные для определяемых атомов, молекул или структурных элементов молекул. Этим ограничивается качественный анализ. Для получения количественной величины концентрации надо, кроме того, определить интенсивность этих характерных линий или полос (фотометрировать спектр), затем определить величину концентрации, используя зависимость между концентрацией и интенсивностью линий или полос. Зависимость эта должна быть получена либо на основании теоретических соображений, либо эмпирическим путем в виде аналитической кривой, построенной на основе набора проб с заданными концентрациями (эталоны).

Далее более подробно рассмотрим каждый из видов спектрального анализа.

Элементный и изотопный спектральный анализ

Элементный и изотопный спектральный анализ предполагает качественное и количественное определения элементного и изотопного состава пробы по спектрам испускания, расположенным в диапазоне от ближней инфракрасной до рентгеновской области. Иногда для этих целей применяются и молекулярные спектры испускания или поглощения. Примером может служить определение водорода, азота и кислорода в газовых смесях, которое может проводиться по молекулярным спектрам двухатомных молекул Нг, N₂, О₂. Точно так же изотопный анализ элементов средней части периодической таблицы выгодно вести по электронно-колебательным молекулярным спектрам, в которых изотопическое смещение достаточно велико и доступно наблюдению с помощью обычных спектральных приборов с большой дисперсией. Однако при решении поставленной задачи определения концентрации оксида углерода необходимо рассматривать методы молекулярного спектрального анализа.

Молекулярный спектральный анализ

Молекулярный спектральный анализ предполагает качественное и количественное определение молекулярного состава пробы по молекулярным спектрам поглощения и испускания. Эти методы применяются для промышленного контроля молекулярного состава проб, например, при производстве витаминов, красителей, бензинов и т. д.

Молекулярные спектры очень сложны, так как возможны различные электронные переходы в молекулах (электронные спектры), колебательные переходы с изменением колебательных состояний ядер атомов, входящих в состав молекулы (колебательный спектр), и изменения вращательных состояний молекулы (вращательный спектр). Эти спектры расположены в различных областях длин волн (частот). Электронные спектры, усложняющиеся колебательной и вращательной структурой, представляют собой систему характерных полос (иногда такой спектр называют линейчато-полосатым), которые располагаются от вакуумной ультрафиолетовой (~1000 Ǻ) до ближней инфракрасной области (~ 12000 Ǻ). Колебательные спектры, сопровождающиеся вращательной структурой, расположены в ближней инфракрасной части спектра от 1,2 до 40 мкм. Вращательные спектры расположены в более далекой инфракрасной части спектра и измерение их оптическими (термоэлектрическими) средствами возможно до ~1,5 мм. Вращательные спектры заходят в микроволновую область, изучаемую средствами радиоспектроскопии. В соответствии с техническими средствами, используемыми при проведении молекулярного спектрального анализа, различаются следующие типы молекулярного анализа.