Будова атомів та походження спектрів хімічних елементів

Оптичні методи аналізу речовини

Оптика – розділ фізики, присвячений вивченню електромагнітного випромінювання.

Спектр електромагнітного випромінювання. Сукупність всіх частот (довжин хвиль) електромагнітного випромінювання називають електромагнітним спектром. Інтервал довжин хвиль розбивають на області:

– γ-випром, рентген 0,1 –10 нм;

– ультрафіолетова (УФ) область займає діапазон ~10 – 380 нм;

– видиме світло, що використовується у найбільш розповсюджених методах аналізу, займає вузьку область 380 – 750 нм;

– інфрачервона (ІЧ) область 750 – 10 000 нм;

– радіохвилі довжин хвиль більше 10 000 нм.

До оптичного діапазону відносять електромагнітні хвилі трьох ділянок:

ультрафіолетової (УФ); видимої; інфрачервоної (ІЧ).

Оптичні методи аналізу речовини найважливіша основа для вивчення будови атомів та молекул, іонів, властивостей речовини в її різних агрегатних станах, вивчення кристалів та аморфних речовин.

Оптичні методи аналізу речовини базуються на вимірюванні параметрів, що характеризують ефекти взаємодії електромагнітного випромінювання з речовинами:

1) відбиття від речовини, поглинання речовиною та заломлення при проходженні випромінювання крізь речовину (закрема у видимій області дозволяє нам бачити зовнішній світ);

2) випромінювання збуджених атомів речовини (флуоресценція, люмінесценція);

2) поглинання випромінювання (абсорбція);

3) заломлення світла;

4) обертання кута площини поляризованого променя світла та ін.

Спектроскопíя — підрозділ оптики, присвячений вивченню спектрівелектромагнітного випромінювання. Слово "спектроскопія" походить від латинського слова "spectrum" (привид) і грецького "skopos" (спостерігач): спостерігання за привидами.

На спектроскопії базується спектральний аналіз (аналіз і синтез –основа наукового пізнання, проява основного закону філософії: «єдності (синтез) і боротьби протилежностей (аналіз)»

Спектроскопія - неоцінимий аналітичний метод, що реалізовується на різних типах спектрометрів (або спектрофотометрів) - ЯМР, ІЧ, УФ, видимої і ближньої ІЧ частини спектра, флуоресцентних спектрометрах.

Сигнали, що виникають при взаємодії електромагнітного випромінювання з речовинами, несуть якісну та кількісну інформацію про речовину.

Якісну інформацію несе частота (довжина хвилі) сигналу, пов’язана з природою речовини, кількісну – інтенсивність сигналу, яка залежить від кількості речовини.

Параметри досліджуємої речовини є функцією концентрації (кількості) або конкретних хімічних елементів-атомів або хімічних зв’язків у молекулах або надмолекулярної будови аналізуємого об’єкту.

Механізм виникнення аналітичного сигналу у спектроскопії.

Потік фотонів з однаковою частотою має назву монохроматичного, з різними частотами – поліхроматичний. Звичайний потік випромінювання, що спостерігають від розпалених тіл, зокрема сонячне світло, є поліхроматичним.

Зовнішні електрони атомів і молекул, що легко збуджуються, називають оптичними, переходи за їх участю на різних резонансних частотах дають оптичний спектр.

Будова атомів та походження спектрів хімічних елементів

Енергія збудження зовнішніх електронів різних елементів неоднакова. Наприклад, для отримання резонансної лінії лужних металів (перехід Е1 → Е0) потребується порівняно невисока енергія (~ 2 еВ, довжини хвиль лежать у видимій області), для

неметалів ця енергія суттєво більше (~ 5 еВ, довжини хвиль лежать в УФ – області).

Чим більше зовнішніх електронів, тим більше можливостей має атом для енергетичних переходів, через це спектри металів типу ферума складаються з тисяч ліній, а спектри лужних металів бідні на них.

Спектр поглинання отримують при розташуванні досліджуваної речовини в полі електромагнітного випромінювання (наприклад, на шляху світлового потоку), а для отримання спектру випускання попередньо переводять атоми речовини у збуджений стан, що досягається підведенням будь-якого виду енергії (теплової, хімічної, електророзряду, електромагнітного випромінювання та ін.); після збудження атоми через 10-9 – 10-7 с повертаються в основний стан, випускаючи фотони або теплоту.

Один атом за один акт поглинає або випускає тільки один фотон з певною енергією (частотою). Сукупність усіх фотонів однієї частоти складає спектральну лінію, при поглинанні її називають абсорбційною, при випусканні – емісійною. Сукупність всіх абсорбційних або всіх емісійних ліній називають абсорбційним (поглинання) або емісійним (випускання) спектром речовини.