Спектральный анализ
олее
чувствительные приборы для измерения температуры. Можно взять
электрический термометр, в котором чувствительный элемент выполнен в виде
тонкой металлической пластины. Эту пластину надо покрыть тонким слоем
сажи, почти полностью поглощающей свет любой длины волны.
Чувствительную к нагреванию пластину прибора следует поместить в то
или иное место спектра. Всему видимому спектру длиной l от красных лучей до
фиолетовых соответствует интервал частот от vкр до уф. Ширине
соответствует малый интервал Av. По нагреванию черной пластины прибора
можно судить о плотности потока излучения, приходящегося на интервал
частот Av. Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, что большая
часть энергии приходится на красную часть спектра, а не на желто-зеленую,
как кажется на глаз.
По результатам этих опытов можно построить кривую зависимости
спектральной плотности интенсивности излучения от частоты. Спектральная
плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины, а
частоту нетрудно найти, если используемый для разложения света прибор
проградуирован, т. е. если известно, какой частоте соответствует данный
участок спектра.
Откладывая по оси абсцисс значения частот, соответствующих серединам
интервалов Av, а по оси ординат спектральную плотность интенсивности
излучения, мы получим ряд точек, через которые можно провести плавную
кривую. Эта кривая дает наглядное представление о распределении энергии и
видимой части спектра электрической дуги.
Спектральные аппараты. Для точного исследования спектров такие
простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и
призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е.
приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие
перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными
аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является
призма или дифракционная решетка.
Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата.
Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую
коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой
имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель
находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой
пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и
падает на призму.
Так как разным частотам соответствуют различные показатели
преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по
направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы
располагается экран - матовое стекло или
фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране,
и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой
частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение.
Все эти изображения вместе и образуют спектр.
Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и
экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров,
то прибор называется спектроскопом, описанным выше. Призмы и другие детали
спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо
стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль
и др.
Виды спектров
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но,
несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на
несколько типов:
Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря
является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех
длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть
сплошную разноцветную полосу.
Распределение энергии по частотам, т. е. Спектральная плотность
интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень
черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая
зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты
имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся
на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении
температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону
коротких волн.
Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела,
находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для
получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования
определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в
сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма.
Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении
электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек
асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли.
При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого
непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию
дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной
соли в пламени. Каждый из них - это частокол цветных линий различной
яркости, разделенных широкими темными
полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого
спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных
длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).
Каждая линия имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не
молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые
практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный,
основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно
для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в
пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым
газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные
линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда
взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг
друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос,
разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального
аппарата можно
обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность
большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых
спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не
связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения
линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или
свечение газового разряда.
Спектры поглощения. Все вещества, атомы которых находятся в
возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых
определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света
веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает
волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на
фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает
наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в
сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это
линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и
столько же видов спектров поглощения.
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура
прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не
испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми
спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов.
Наблюдая эти спектры, ученые получили
возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную
соприкасается с атомной физикой.
Виды спектральных анализов
Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн
(или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от
свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа
возбуждения свечения атомов. Атомы
любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех
других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин
волн.
На этом основан спектральный анализ - метод определения химического
состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей
линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость
узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же
благодаря индивидуальности спектров имеется
возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального
анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества. Это
очень чувствительный метод.
На данное время известны следующие виды спектральных анализов - атомный
спектральный анализ (АСА)( определяет элементный состав образца по атомным
(ионным) спектрам испускания и поглощения),
| |  скачать работу |
Спектральный анализ |
