Формула надфн структурна. Біологічні функції

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ(за допомогою спектрів випромінювання) має застосування майже у всіх галузях господарства. Широко застосовується в металопромисловості для швидкого аналізу заліза, сталі, чавуну, а також різних спеціальних сталей та готових металевих виробів, для встановлення чистоти легких, кольорових та дорогоцінних металів. Велике застосуваннямає спектральний аналіз у геохімії щодо складу корисних копалин. У хімічної промисловостіта близьких до неї галузях спектральний аналіз служить для встановлення чистоти продукції, що випускається і застосовується, для аналізу каталізаторів, різних залишків, опадів, мутій і промивних вод; у медицині - для відкриття металів у різних органічних тканинах. Ряд спеціальних завдань, які важко вирішуються або зовсім не вирішуються іншим шляхом, вирішується за допомогою спектрального аналізу швидко і точно. Сюди відноситься, наприклад, розподіл металів у сплавах, дослідження у сплавах та мінералах сульфідних та інших включень; такого роду дослідження іноді позначаються терміном локальний аналіз.

Вибір тієї чи іншої типу спектрального апарату з погляду достатності його дисперсії проводиться залежно від мети та завдань спектрального аналізу. Для дослідження платинових металів (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), а також Fe, Co, Ni, Сг, V, Mo, W, Ti, Mn, Zr, Re, Nb та Та найбільш придатні кварцові спектрографи з більшою дисперсією, що дають для довжин хвиль 4000-2200 смужку спектру довжиною принаймні 22 см. Для інших елементів м. б. застосовані апарати, що дають спектри завдовжки 7-15 см. Спектрографи зі скляною оптикою мають менше значення. З них зручні комбіновані прилади (наприклад, фірми Гільгера та Фюсса), які за бажанням можна застосовувати як спектроскоп і спектрограф. Для отримання спектрів застосовують такі джерела енергії. 1) Полум'я суміші, що горить- водню та кисню, суміші кисню та світильного газу, суміші кисню та ацетилену або нарешті повітря та ацетилену. У разі температура джерела світла сягає 2500-3000°С. Полум'я найбільше придатне для отримання спектрів лужних та лужноземельних металів, а також для таких елементів, як Сu, Hg та Тl. 2) Вольтова дуга. а) Звичайна, гол. обр. постійного струму, силою 5-20 А. З великим успіхом вона застосовується для якісного аналізуважко мінералів, які вводяться в дугу у вигляді шматочків або тонко розтертих порошків. Для кількісного аналізу металів застосування звичайної вольтової дуги має дуже істотний недолік, що полягає в тому, що поверхня аналізованих металів покривається плівкою окису і горіння дуги стає зрештою нерівномірним. Температура вольтової дуги сягає 5000-6000°С. б) Переривчаста дуга (Abreissbogen) постійного струму силою 2-5 А при напрузі близько 80 V. спеціального пристосуваннягоріння дуги переривається 4-10 разів на сек. Цей спосіб збудження зменшує окиснення поверхні аналізованих металів. При більш високій напрузі - до 220 V і силі струму 1-2 А - переривчаста дуга може застосовуватися також для аналізу розчинів. 3) Іскрові розряди, одержувані за допомогою індукційної котушки або, частіше, трансформатора постійного або (переважніше) змінного струму потужністю до 1 kW, що дає у вторинному ланцюгу 10000-30000 V. Застосовуються три типи розрядів, а) Іскрові розряди без ємності та індуктивності в іноді дугою високої напруги(Hochspannungsbogen). Аналіз рідин та розплавлених солей за допомогою таких розрядів відрізняється великою чутливістю. б) Іскрові розряди з ємністю та індуктивністю у вторинному ланцюзі, часто звані також конденсованими іскрами, є більш універсальним джерелом енергії, придатним для збудження спектрів майже всіх елементів (крім лужних металів), а також газів. Схема включення дана на фіг. 1,

де R - реостат у первинному ланцюзі, Тr- трансформатор змінного струму, С 1 - ємність у вторинному ланцюзі I, S - перемикач для зміни індуктивності L 1 , U - синхронний переривник, LF - іскрогасник, F - робочий іскровий проміжок. У резонанс до вторинного ланцюга I за допомогою індуктивності та змінної ємності 2 налаштовується вторинний ланцюг II; ознакою наявності резонансу є найбільша силаструму, що показується міліамперметром А. Призначення вторинного ланцюга II синхронного переривника U та іскрогасника LF - робити електричні розряди можливо одноманітними як за характером, так і за кількістю протягом певного проміжку часу; при звичайних роботах такі додаткові пристрої не вводяться.

При дослідженнях металів у вторинному ланцюгу застосовується ємність 6000-15000 см та індуктивність до 0,05-0,01 Н. Для аналізу рідин у вторинний ланцюг іноді вводиться водяний реостат із опором до 40000 Ом. Гази досліджуються без індуктивності із невеликою ємністю. в) Розряди струмів Тесла, що здійснюються за допомогою схеми, зображеної на фіг. 2,

де V – вольтметр, А – амперметр, Т – трансформатор, С – ємність, Т-Т – трансформатор Тесла, F – іскровий проміжок, куди вводиться аналізована речовина. Струми Тесла застосовуються для досліджень речовин, які мають невисоку точку плавлення: різних рослинних та органічних препаратів, опадів на фільтрах тощо. наприклад, із зазначених на фіг. 3,

де а - електрод з аналізованого товстого дроту, b - з жерсті, з - зігнутий тонкий дріт, d - диск, відрізаний від товстого циліндричного стрижня, е - форма, що випилюється з великих шматківлиття. При кількісному аналізі необхідно мати завжди однакову форму і розміри поверхні іскрів електродів, що піддається дії іскор. При невеликій кількості аналізованого металу можна скористатися оправою з будь-якого чистого металу, наприклад, золота і платини, в якій зміцнюється аналізований метал, як показано на фіг. 4.

Для введення джерело світла розчинів запропоновано чимало способів. Працюючи з полум'ям застосовується розпилювач Люндегорда, схематично зображений на фіг. 5 разом зі спеціальним пальником.

Продувається через розпилювач ВС повітря захоплює випробувану рідину, що наливається в кількості 3 -10 см 3 в поглиблення, і у вигляді тонкого пилу відносить її в пальник А, де відбувається змішання з газом. Для введення розчинів у дугу, а також у іскру застосовуються чисті вугільні або графітові електроди, на одному з яких робиться поглиблення. Необхідно, однак, відзначити, що дуже важко приготувати вугілля абсолютно чистим. Застосовувані для очищення способи - поперемінне кип'ятіння в соляній та плавикової кислотах, а також прожарювання в атмосфері водню до 2500-3000°С - не дають вугілля, вільне від домішок, залишаються (хоча і сліди) Са, Mg, V, Ti, Al, Fe, Si, В. Задовільної чистоти виходять також вугілля шляхом прожарювання їх на повітрі за допомогою електричного струму: через вугільний стрижень діаметром 5 мм пропускається струм силою близько 400 А, і сильне розжарювання (до 3 000°С), що досягається таким шляхом, виявляється достатнім для того, щоб протягом декількох секунд більшість забруднюючих вугілля домішок зникло. Існують також такі способи введення розчинів в іскру, де розчин є нижнім електродом, і іскра проскакує на його поверхню; іншим електродом може бути якийсь чистий метал. Прикладом такого пристрою може бути зображений на фіг. 6 рідинний електрод Герляха.

Поглиблення, куди наливається випробуваний розчин, облицьовується платиновою фольгою або товстим шаром позолоти. На фіг. 7 зображено апарат Хітчена, що служить також для введення розчинів в іскру.

З судини А випробуваний розчин слабким струменем надходить через трубку і кварцову насадку в сферу дії іскрових розрядів. Нижній електрод, впаяний у скляну трубку, прикріплюється до апарату за допомогою каучукової трубки Е. Насадка, зображена на фіг. 7 окремо, має з одного боку виріз для стогнання розчину. D - скляний запобіжний посуд, в якому робиться круглий отвір для виходу ультрафіолетових променів. Посудину цю зручніше робити кварцовою без отвору. До верхнього електрода F, графітового, вугільного або металевого, також пристосовується пластинка, що захищає від бризок. Для «дуги високої напруги», що сильно накалює аналізовані речовини, Герлях при роботі з розчинами застосовує електроди з охолодженням, як схематично показано на фіг. 8.

На товстому дроті (діаметром 6 мм) зміцнюється за допомогою пробки К скляна воронка G, куди поміщаються шматочки льоду. На верхньому кінці дроту зміцнюється круглий залізний електрод Е діаметром 4 см та висотою 4 см, на який накладається платинова чашка Р; остання має легко зніматися для очищення. Верхній електрод також буд. товстим, щоб уникнути розплавлення. При аналізі невеликих кількостей речовин - опадів на фільтрах, різних порошків і т. д. можна користуватися пристосуванням, зображеним на фіг. 9.

З випробуваного речовини і фільтрувального паперу робиться грудочку, змочується для кращої провідності розчином, наприклад, NaCl, поміщається на нижній електрод, що складається іноді з чистого кадмію, укладеного в кварцовій (гірше скляній) трубочці; верхній електрод також є чистим металом. Для таких же аналізів під час роботи зі струмами Тесла застосовується спеціальна конструкція іскрового проміжку, зображена на фіг. 10 а та б.

У круглому шарнірі К зміцнюється в потрібному положенні алюмінієва пластинка Е, на яку накладається скляна пластинка G, а на останню препарат Р на фільтрувальному папері F. Препарат змочується будь-якою кислотою або розчином солі. Уся ця система є невеликим конденсатором. Для дослідження газів застосовуються закриті скляні або кварцові судини (фіг. 11).

Для кількісного аналізу газів зручно користуватися золотими або платиновими електродами, лінії яких можна застосувати для порівняння. Майже всі зі згаданих вище пристроїв для введення речовин в іскру та дугу при роботі зміцнюються в спеціальних штативах. Прикладом може бути штатив Грамона, зображений на фіг. 12:

за допомогою гвинта D електроди одночасно розсуваються та зсуваються; гвинт Е служить для пересування верхнього електрода паралельно оптичній лаві, а гвинт С - для бічних поворотів нижнього електрода; для бічних поворотів усієї верхньої частини штатива служить гвинт; нарешті за допомогою гвинта А можна піднімати чи опускати всю верхню частинуштатива; Н - підставка для пальників, склянок та ін. Вибір джерела енергії для тієї чи іншої мети дослідження можна зробити, керуючись наступною приблизною таблицею.

Якісний аналіз. При якісному спектральному аналізі відкриття будь-якого елемента залежить багатьох чинників: від характеру обумовленого елемента, джерела енергії, роздільної здатності спектрального апарату, і навіть від чутливості фотографічних пластинок. Щодо чутливості аналізу можна зробити такі вказівки. Працюючи з іскровими розрядами в розчинах можна відкривати 10 -9 -10 -3 %, а металах 10 -2 -10 -4 % досліджуваного елемента; під час роботи з вольтовою дугою межі відкриття лежать близько 10 -3 %. Абсолютна кількість, яку м. б. відкрито при роботі з полум'ям становить 10 -4 -10 -7 г, а при іскрових розрядах 10 -6 -10 -8 г досліджуваного елемента. Найбільша чутливість відкриття відноситься до металів та металоїдів - В, Р, С; менше чутливість для металоїдів As, Se та Ті; галоїди, а також S, О, N у їх сполуках зовсім не м. б. відкриті та м. б. відкриті лише у деяких випадках у газових сумішах.

Для якісного аналізу найбільше значеннямають «останні лінії», і при аналізі завдання полягає в найбільш точному визначеннідовжин хвиль спектральних ліній. При візуальних дослідженнях довжини хвиль відраховуються барабаном спектрометра; ці вимірювання можна вважати лише приблизними, оскільки точність становить зазвичай ±(2-З) Ӑ і в таблицях Кайзера цьому інтервалу помилок можуть відповідати близько 10 спектральних ліній, що належать різним елементам, для 6000 і 5000 і близько 20 спектральних ліній для λ ≈ 4000 Ӑ. Набагато точніше визначається довжина хвиль при спектрографічному аналізі. У цьому випадку на спектрограмах за допомогою вимірювального мікроскопа вимірюється відстань між лініями відомою довжиноюхвилі та визначається; за формулою Гартмана знаходиться довжина останньої хвилі. Точність таких вимірювань при роботі з приладом, що дає смужку спектру довжиною близько 20 см, становить ± 0,5 для λ 4000 , ± 0,2 для λ 3000 і ± 0,1 для λ 2500 . По довжині хвилі у таблицях знаходять відповідний елемент. Відстань між лініями при звичайних роботах вимірюється точністю до 0,05-0,01 мм. Цей прийом іноді зручно комбінувати зі зйомками спектрів з так званими заслінками Гартмана, два типи яких зображені на фіг. 13, а та b; за допомогою їх щілину спектрограф можна робити різної висоти. Фіг. 13, схематично зображує випадок якісного аналізу речовини X - встановлення в ньому елементів А і В. Спектри фіг. 13 d показують, що в речовині Y крім елемента А, лінії якого позначені буквою G, є домішка, лінії якої позначені z. За допомогою цього прийому у простих випадках можна виконати якісний аналіз, не вдаючись до вимірювання відстаней між лініями.

Кількісний аналіз. Для кількісного спектрального аналізу найбільше значення мають лінії, що володіють можливо більшою концентраційною чутливістю dI/dK, де I - інтенсивність лінії, а К - концентрація елемента, що дає її. Чим більша концентраційна чутливість, тим точніше аналіз. З часом розроблено цілий рядметодів кількісного спектрального аналізу Ці методи такі.

I. Спектроскопічні методи(Без фотографічної зйомки) майже всі є фотометричними методами. Сюди належать: 1) Метод Барратта. Одночасно збуджуються спектри двох речовин - випробуваного і стандартного - видні у зору спектроскопа поруч, одна з інших. Хід променів зображено на фіг. 14,

де F 1 і F 2 - два іскрові проміжки, світло від яких проходить через призми Ніколя N 1 і N 2 , промені, що поляризують у взаємно перпендикулярних площинах. За допомогою призми промені D потрапляють у щілину S спектроскопа. У його зорової трубі міститься третя призма Ніколя - аналізатор, - обертаючи яку домагаються однакової інтенсивності двох ліній, що порівнюються. Попередньо при дослідженнях стандартів, тобто речовин з відомим вмістом елементів, встановлюється залежність між кутом повороту аналізатора та концентрацією, і за цими даними викреслюється діаграма. При аналізі з кута повороту аналізатора з цієї діаграми знаходиться шукане процентний зміст. Точність методу ±10%. 2). Принцип методу полягає в тому, що промені світла після призми спектроскопа проходять через призму Волластона, де розходяться на два пучки та поляризуються у взаємно перпендикулярних площинах. Схема ходу променів показано на фіг. 15,

де S – щілина, Р – призма спектроскопа, W – призма Волластона. У полі зору виходять два спектри B 1 і 2 , що лежать поруч, один над одним; L – лупа, N – аналізатор. Якщо обертати призму Волластона, то спектри будуть пересуватися відносно один одного, що дозволяє поєднати якісь дві їх лінії. Наприклад, якщо аналізується залізо, що містить ванадій, то поєднується лінія ванадію з якоюсь прилеглою одноколірною лінією заліза; потім, повертаючи аналізатор, досягають однакової яскравості цих ліній. Кут повороту аналізатора, як і попередньому методі, є мірою концентрації шуканого елемента. Метод особливо підходить для аналізу заліза, спектр якого має багато ліній, що дозволяє завжди знайти лінії, придатні для досліджень. Точність методу ± (3-7) %. 3) Метод Окіаліні. Якщо розмістити електроди (наприклад, аналізовані метали) горизонтально і проектувати зображений з джерела світла на вертикальну щілину спектроскопа, то при іскрових, так і при дугових розрядах лінії домішок м. б. відкриті в залежності від концентрації на більшій чи меншій відстані від електродів. Джерело світла проектується на щілину за допомогою спеціальної лінзи, з мікрометричним гвинтом. При аналізі ця лінза пересувається разом із нею пересувається зображення джерела світла до того часу, поки якась лінія домішки спектрі зникне. Мірою концентрації домішки є відлік за шкалою лінзи. В даний час цей метод розроблений також і для робіт із ультрафіолетовою частиною спектру. Слід зазначити, що так само способом освітлення щілини спектрального апарату користувався Локіер і він розробили метод кількісного спектрального аналізу, т. зв. метод «довгих та коротких ліній». 4) Пряме фотометрування спектрів. Описані вище методи звуться візуальних. Люндегорд замість візуальних досліджень скористався для вимірювання інтенсивності спектральних ліній фотоелементом. Точність визначення лужних металів під час роботи з полум'ям досягала ± 5%. При іскрових розрядах цей спосіб не застосовується, оскільки вони менш постійні, ніж полум'я. Існують також способи, що ґрунтуються на зміні індуктивності у вторинному ланцюзі, а також використовують штучне ослаблення світла, що потрапляє в спектроскоп, до зникнення в полі зору досліджуваних спектральних ліній.

ІІ. Спектрографічні методи. При цих методах досліджуються знімки фотографій спектрів, причому мірою інтенсивності спектральних ліній є почорніння, що дається ними на фотографічній платівці. Інтенсивність оцінюється чи оком, чи фотометрично.

А. Методи без застосування фотометрії. 1) Метод останніх ліній. При зміні концентрації будь-якого елемента спектрі змінюється кількість його ліній, що дозволяє за постійних умов роботи будувати висновки про концентрації обумовленого елемента. Фотографується ряд спектрів речовин з відомим вмістом компонента, що цікавить, на спектрограмах визначається число його ліній і складаються таблиці, в яких вказується, які лінії видно при даних концентраціях. Ці таблиці служать далі для аналітичних визначень. При аналізі на спектрограмі визначається число ліній елемента, що цікавить, і по таблицях знаходиться процентний зміст, причому метод дає не однозначну його цифру, а межі концентрацій, тобто «від-до». Найбільш достовірно можливо розрізнити концентрації, що відрізняються один від одного в 10 разів, наприклад, від 0,001 до 0,01%, від 0,01 до 0,1% і т. д. Аналітичні таблиці мають значення лише для певних умов роботи, які у різних лабораторіях можуть дуже відрізнятися; крім того, потрібно ретельне дотримання сталості умов роботи. 2) Метод порівняльних спектрів. фотографується кілька спектрів аналізованої речовини А + х%, в якому визначається вміст х елемента, і в проміжках між ними на тій же фотографічній пластинці -спектри стандартних речовин А + а% В, А + b% В, А + с% В , де а, b, с - відомий відсотковий зміст В. На спектрограмах за інтенсивністю ліній визначається, між якими концентраціями полягає значення х. Критерієм сталості умов роботи є рівність інтенсивності на всіх спектрограмах будь-якої прилеглої лінії А. При аналізі розчинів у них додається однакова кількістьбудь-якого елемента, що дає лінію близько до ліній, і тоді про сталість умов роботи судять по рівності інтенсивності цих ліній. Чим менша різницяміж концентраціями а, Ь, с, … і що точніше досягнуто рівність інтенсивності ліній А, то точніше аналіз. А. Райс, наприклад, застосовував концентрації а, b, с, ..., що стосуються один одного, як 1: 1,5. До методу порівняльних спектрів примикає метод «підбору концентрацій» (Testverfahren) за Гюттігом і Турнвальдом, який застосовується лише до аналізу розчинів. Він полягає в тому, що якщо в двох розчинах, що містять а% А і х% А (х більше або менше а), що зараз же можна визначити за їх спектрами, то додають до якогось із цих розчинів таку кількість n елемента А щоб інтенсивність його ліній на обох спектрах стала однаковою. Тим самим визначиться концентрація х, яка дорівнюватиме (а ± n)%. Можна також додати в аналізований розчин який-небудь інший елемент до рівності інтенсивності певних ліній А і В і за кількістю оцінити вміст А. 3) Метод гомологічних пар. У спектрі речовини А + а% лінії елементів А і В не є однаково інтенсивними і, якщо цих ліній достатня кількість, можна знайти дві такі лінії А і В, інтенсивність яких буде однакова. Для іншого складу А + b% однаковими за інтенсивністю будуть інші лінії А і В і т. д. Ці дві однакові лінії називаються гомологічними парами. Концентрації В, за яких здійснюється та чи інша гомологічна пара, називаються фіксуючими пунктамицієї пари. p align="justify"> Для роботи за цим методом потрібно попереднє складання таблиць гомологічних пар за допомогою речовин відомого складу. Чим повніше таблиці, тобто чим більше вони містять гомологічних пар з фіксуючими пунктами, що відрізняються як можна менше другвід одного, тим точніше аналіз. Цих таблиць складено досить велика кількість, причому вони можуть мати застосування в будь-якій лабораторії, тому що точно відомі умови розрядів при їх складанні та ці умови м. б. абсолютно точно відтворені. Досягається це за допомогою наступного простого прийому. У спектрі речовини А + а% вибираються дві лінії елемента А, інтенсивність яких дуже сильно змінюється в залежності від величини самоіндукції у вторинному ланцюгу, саме одна дугова (належна нейтральному атому) і одна іскрова лінія (належна іону). Ці дві лінії називаються фіксуючою парою. Шляхом підбору величини самоіндукції лінії цієї пари робляться однаковими і складання ведеться саме за цих умов, що завжди вказуються в таблицях. За таких самих умов проводиться і аналіз, і щодо здійснення тієї чи іншої гомологічної пари знаходиться процентний зміст. Є кілька модифікацій методу гомологічних пар. З них найголовнішим є метод допоміжного спектру, застосовуваний у тому випадку, коли елементи А і В не мають достатньою кількістюліній. У цьому випадку лінії спектру елемента А певним чином зв'язуються з лініями іншого, більш придатного елемента G, і роль А починає відігравати елемент G. Метод гомологічних пар розроблений Герляхом та Швейтцером. Він застосовується як до сплавів, так і до розчинів. Його точність у середньому близько ±10%.

У. Методи із застосуванням фотометрії. 1) Метод Барратта. Фіг. 16 дає уявлення про метод.

F 1 і F 2 - два іскрові проміжки, за допомогою яких одночасно збуджуються спектри стандартної та аналізованої речовини. Світло проходить через 2 сектори S 1 і S 2, що обертаються, і за допомогою призми D утворює спектри, які розташовані один над іншим. Шляхом підбору вирізок секторів лінії досліджуваного елемента отримують однакову інтенсивність; концентрація обумовленого елемента обчислюється із співвідношення величин вирізок. 2) є аналогічним, але з одним іскровим проміжком (фіг. 17).

Світло від F поділяється на два пучки і проходить через сектори S 1 і S 2 за допомогою ромба Гюфнера R дві смужки спектру виходять одна над іншою; Sp – щілина спектрографа. Вирізки секторів змінюються до здобуття рівності інтенсивності лінії домішки та будь-якої прилеглої лінії основної речовини і за співвідношенням величин вирізок обчислюється %-ное зміст визначеного елемента. 3) При застосуванні як фотометр логарифмічного сектора, що обертаєтьсялінії одержують на спектрограмах клиноподібний вигляд. Один з таких секторів та його положення щодо спектрографа при роботі зображені на фіг. 18, а б.

Вирізка сектора підпорядковується рівнянню

- lg Ɵ = 0,3 + 0,2l

де Ɵ - довжина дуги в частинах повного кола, що знаходиться на відстані I, виміряному в мм за радіусом від його кінця. Мірою інтенсивності ліній є їхня довжина, тому що зі зміною концентрації елемента довжина його клиноподібних ліній також змінюється. Попередньо за зразками з відомим змістом будується діаграма залежності довжини будь-якої лінії від % змісту; при аналізі на спектрограмі вимірюється довжина тієї ж лінії та по діаграмі знаходиться процентний зміст. Є кілька різних модифікацій цього. Слід зазначити модифікацію Шейбе, застосовував т. зв. подвійний логарифмічний сектор. Вигляд цього сектора зображено на фіг. 19.

Лінії досліджуються потім за допомогою спеціального апарату. Точність, яка досягається за допомогою логарифмічних секторів, ±(10-15)%; Модифікація Шейбе дає точність ±(5-7)%. 4) Досить часто застосовується фотометрування спектральних ліній за допомогою світло-і термоелектричних спектрофотометрів різних конструкцій. Зручними є термоелектричні фотометри, вироблені спеціально з метою кількісного аналізу. Для прикладу на фіг. 20 наведена схема фотометра по Шейбі:

L– постійне джерело світла з конденсором К, М – фотографічна пластинка з досліджуваним спектром, Sp – щілина, О 1 та О 2 – об'єктиви, V – затвор, Th – термоелемент, який приєднується до гальванометра. Мірою інтенсивності ліній є відхилення стрілки гальванометра. Рідше користуються самореєструючими гальванометрами, що дають запис інтенсивності ліній у вигляді кривої. Точність аналізу при застосуванні цього фотометрії становить ±(5-10)%. При поєднанні коїться з іншими методами кількісного аналізу точність м. б. підвищено; так наприклад, метод трьох лінійШейбе та Шнеттлера, що є поєднанням методу гомологічних пар та фотометричних вимірювань, у сприятливих випадках може дати точність ±(1-2)%.

Міністерство освіти та науки
Республіки Казахстан

Карагандинський Державний університет
імені О.О. Букетова

Фізичний факультет

Кафедра оптики та спектроскопії

Курсова робота

на тему:

Спектри. З пектральний аналіз та його застосування.

Підготував:

студент групи ФТРФ-22

Ахтарієв Дмитро.

Перевірив:

викладач

Кусенова Асія Сабіргаліївна

Караганди – 2003р. План

Вступ

1. Енергія у спектрі

2. Види спектрів

3. Спектральний аналіз та його застосування

4. Спектральні апарати

5. Спектр електромагнітних випромінювань

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Дослідження лінійчастого спектра речовини дозволяє визначити, з яких хімічних елементів воно складається і в якій кількості міститься кожен елемент цієї речовини.

Кількісне зміст елемента в досліджуваному зразку визначається шляхом порівняння інтенсивності окремих ліній спектру цього елемента з інтенсивністю ліній іншого хімічного елемента, кількісний зміст якого у зразку відомий.

Метод визначення якісного та кількісного складуречовини з його спектру називається спектральним аналізом. Спектральний аналіз широко застосовується при пошуках корисних копалин визначення хімічного складу зразків руди. У промисловості спектральний аналіз дозволяє контролювати склади сплавів та домішок, що вводяться в метали для отримання матеріалів із заданими властивостями.

Перевагами спектрального аналізу є висока чутливістьта швидкість отримання результатів. За допомогою спектрального аналізу можна виявити в пробі масою 6 * 10 -7 г присутність золота при його масі всього 10 -8 г. Визначення марки стали методом спектрального аналізу може бути виконано за кілька десятків секунд.

Спектральний аналіз дозволяє визначити хімічний склад небесних тіл, віддалені від Землі на відстані в мільярди світлових років. Хімічний склад атмосфер планет та зірок, холодного газу міжзоряному просторі визначається за спектрами поглинання.

Вивчаючи спектри, вчені змогли визначити як хімічний склад небесних тіл, а й їх температуру. За усунення спектральних ліній можна визначати швидкість руху небесного тіла.

Енергія у спектрі.

Джерело світла має споживати енергію. Світло - це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі 4*10 -7 - 8*10 -7 м. Електромагнітні хвилівипромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частки входять до складу атомів. Але, не знаючи, як улаштований атом, нічого достовірного про механізм випромінювання сказати не можна. Зрозуміло, що всередині атома немає світла так само, як у струні рояля немає звуку. Подібно до струни, що починає звучати лише після удару молоточка, атоми народжують світло тільки після їх збудження.

Для того, щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію, і для безперервного світіння речовини необхідний приплив енергії до атомів ззовні.

Теплове випромінювання.Найпростіший і найпоширеніший вид випромінювання - теплове випромінювання, у якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються з допомогою енергії теплового руху атомів чи (молекул) випромінюючого тіла. Що температура тіла, то швидше рухаються атоми. При зіткненні швидких атомів (молекул) одна з одною частина їх кінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.

Тепловим джерелом випромінювання є Сонце, і навіть звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручне, але малоекономічне джерело. Лише приблизно 12% усієї енергії, що виділяється в лампі електричним струмом, перетворюється на енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум'я. Крупинки сажі розжарюються за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива, і випромінюють світло.

Електролюмінесценція.Енергія, необхідна атомам випромінювання світла, може запозичуватися і з нетеплових джерел. При розряді у газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони відчувають зіткнення з атомами. Частина кінетичної енергії електронів йде на збудження атомів. Порушені атоми віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Завдяки цьому розряд у газі супроводжується світінням. Це і є електролюмінесценція.

Катодолюмінесценція.Свічення твердих тіл, Викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінісенцією. Завдяки катодолюмінесценції світяться екрани електронно-променевих трубок телевізорів.

Хемілюмінесценція.За деяких хімічних реакціях, що йдуть із виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це явище називається хеміолюмінесценкіей.

Фотолюмінесценція.Падаючий на речовину світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія світла, що поглинається, в більшості випадків викликає лише нагрівання тіл. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією випромінювання, що падає на нього. Це і є фотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини (збільшує їхню внутрішню енергію), після чого вони висвічуються самі. Наприклад, фарби, що світяться, якими покривають багато ялинкових іграшок, випромінюють світло після їх опромінення.

Випромінюваний при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, що збуджує свічення. Це можна спостерігати експериментально. Якщо спрямувати на посудину з флюоресцеїтом (органічний барвник) світловий пучок, пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починає світитися зелено - жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі, ніж у фіолетового світла.

Явище фотолюмінесценції широко використовується у лампах денного світла. Радянський фізик С. І. Вавілов запропонував покривати внутрішню поверхнюрозрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під впливом короткохвильового випромінювання газового розряду. Лампи денного світла приблизно в три-чотири рази економічніші за звичайні лампи розжарювання.

Перераховані основні види випромінювань та джерела, що їх створюють. Найпоширеніші джерела випромінювання – теплові.

Розподіл енергії у спектрі.Жоден із джерел не дає монохроматичного світла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконують досліди з розкладання світла у спектр за допомогою призми, а також досліди з інтерференції та дифракції.

Та енергія, яку несе із собою світло від джерела, певним чином розподілена хвилями всіх довжин, що входять до складу світлового пучка. Можна також сказати, що енергія розподілена за частотами, оскільки між довжиною хвилі та частотою існує простий зв'язок: ?v = c.

Щільність потоку електромагнітного випромінювання, або інтенсивність /, визначається енергією W, що припадає на всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами необхідно запровадити нову величину: інтенсивність, що припадає одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною густиною інтенсивності випромінювання.

Спектральну густину потоку випромінювання можна знайти експериментально. Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали шириною Av.

Покладатися на око в оцінці розподілу енергії не можна. Око має вибіркову чутливість до світла: максимум його чутливості лежить у жовто-зеленій області спектру. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіх довжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагрівання тіла. Тому достатньо виміряти температуру тіла і по ній судити про кількість поглиненої в одиницю часу енергії.

Звичайний термометр має занадто малу чутливість для того, щоб його можна було успішно використовувати в таких дослідах. Потрібні чутливіші прилади для вимірювання температури. Можна взяти електричний термометр, у якому чутливий елемент виконаний у вигляді тонкої металевої пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаромсажі, що майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі.

Чутливу до нагрівання пластину приладу слід помістити в місце спектру. Усьому видимому спектру довжиною l від червоних променів до фіолетових відповідає інтервал частот від v кр до ф. Ширині відповідає мінімальний інтервал Av. По нагріванню чорної пластини приладу можна будувати висновки про щільності потоку випромінювання, що припадає інтервал частот Av. Переміщаючи пластину вздовж спектру, ми виявимо, що більшість енергії припадає на червону частину спектру, а не на жовто-зелену, як здається на око.

За наслідками цих дослідів можна побудувати криву залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання визначається за температурою пластини, а частоту неважко знайти, якщо прилад, що використовується для розкладання світла, проградуйований, тобто якщо відомо, якій частоті відповідає дана ділянка спектру.

Відкладаючи по осі абсцис значення частот, відповідних середин інтервалів Av, а по осі ординат спектральну щільність інтенсивності випромінювання, ми отримаємо ряд точок, через які можна провести плавну криву. Ця крива дає наочне уявлення про розподіл енергії та видиму частину спектра електричної дуги.

З дня відкриття «спектрального аналізу» навколо цього терміну точилося багато суперечок. Спочатку фізичний принципспектрального аналізумав на увазі метод ідентифікації елементарного складупроби по спектру, що спостерігається, який порушувався в якому-небудь високотемпературному джерелі полум'я, іскрі або дузі.

Надалі під спектральним аналізом стали розуміти інші методи аналітичного вивчення та збудження спектрів:

• методи комбінаційного розсіювання,
• методи поглинання та люмінесценції.

Зрештою, були відкриті рентгенівські та гамма спектри. Тому правильно, говорячи про спектральний аналіз, мати на увазі сукупність усіх існуючих методів. Однак найчастіше явище ідентифікації за спектрами використовують, розуміючи емісійні методи.

Способи класифікації

Ще один варіант класифікації - це поділ на молекулярні (визначення молекулярного складу проби) та елементарні (визначення атомарного складу) дослідження спектрів.

Молекулярний метод заснований на вивченні спектрів поглинання, комбінаційного розсіювання та люмінесценції; атомарний склад визначається за спектрами збудження у гарячих джерелах (молекули переважно руйнуються) чи за даними рентгеноспектральних досліджень. Але така класифікація не може бути суворою, тому що іноді обидва ці методи збігаються.

Класифікація методів спектрального аналізу

Відштовхуючись від завдань, які вирішуються вищеописаними методами, вивчення спектрів ділять на методи, що застосовуються для дослідження сплавів, газів, руд і мінералів, готових виробів, чистих металіві т.д. Кожен досліджуваний об'єкт має свої характерними особливостямита стандартами. Два основні напрямки аналізу спектрів:

1. Якісний
2. Кількісний

Що вивчається під час їх проведення, розглянемо далі.

Діаграма методів спектрального аналізу

Якісний спектральний аналіз

Якісний аналіз служить для того, щоб визначити з яких елементів складається зразок, що аналізується. Необхідно отримати спектр проби, збуджений у будь-якому джерелі, і за виявленими спектральними лініями визначити, яким елементам вони належать. Так стане зрозуміло, із чого складається зразок. Складність якісного аналізу – це велика кількість спектральних ліній на аналітичній спектрограмі, розшифровка та ідентифікація яких є надто трудомісткою і не точною.

Кількісний спектральний аналіз

Метод кількісного спектрального аналізу ґрунтується на тому, що інтенсивність аналітичної лінії збільшується зі зростанням змісту обумовленого елемента в пробі. Ця залежність будується з урахуванням безлічі чинників, які складно чисельно розрахувати. Тому теоретично встановити зв'язок між інтенсивністю лінії та концентрацією елемента практично неможливо.

Тому проводяться відносні виміриінтенсивностей однієї й тієї спектральної лінії при зміні концентрації визначається елемента. Так, при незмінності умов збудження та реєстрації спектрів, що вимірюється енергія випромінювання пропорційна інтенсивності. Вимірювання цієї енергії (або залежить від неї величини) дає необхідну нам емпіричну зв'язок між вимірюваною величиною та концентрацією елемента в пробі.

Спектральний аналіз

Спектральний аналіз- сукупність методів якісного та кількісного визначення складу об'єкта, заснована на вивченні спектрів взаємодії матерії з випромінюванням, включаючи спектри електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль, розподілу мас і енергій елементарних частинок та ін.

Залежно від цілей аналізу та типів спектрів виділяють кілька методів спектрального аналізу. Атомнийі молекулярнийспектральні аналізи дозволяють визначати елементний та молекулярний склад речовини, відповідно. В емісійному та абсорбційному методах склад визначається за спектрами випромінювання та поглинання.

Мас-спектрометричний аналіз здійснюється за спектрами мас атомарних або молекулярних іонів та дозволяє визначати ізотопний склад об'єкта.

Історія

Темні лінії на спектральних смужках помітили давно, але перше серйозне дослідженняцих ліній було здійснено лише 1814 року Йозефом Фраунгофером. На його честь ефект отримав назву «Фраунгоферові лінії». Фраунгофер встановив стабільність положення ліній, склав їх таблицю (всього він нарахував 574 лінії), привласнив кожній буквено-цифровий код. Не менш важливим стало його висновок, що лінії не пов'язані ні з оптичним матеріалом, ні із земною атмосферою, але є природною характеристикою сонячного світла. Аналогічні лінії він виявив у штучних джерел світла, а також у спектрах Венери та Сіріуса.

Невдовзі з'ясовувалося, що з найвиразніших ліній завжди з'являється у присутності натрію. У 1859 році Г. Кірхгоф і Р. Бунзен після серії експериментів уклали: кожен хімічний елемент має свій неповторний лінійний спектр, і за спектром небесних світил можна зробити висновки про склад їхньої речовини. З цього моменту в науці виник спектральний аналіз, сильний спосіб дистанційного визначення хімічного складу.

Для перевірки методу в 1868 році Паризька академія наук організувала експедицію в Індію, де було повне повне сонячне затемнення. Там вчені виявили: всі темні лінії в момент затемнення, коли спектр випромінювання змінив спектр поглинання сонячної корони стали, як і було передбачено, яскравими на темному тлі.

Природа кожної з ліній, їх зв'язок із хімічними елементами з'ясовувалися поступово. В 1860 Кірхгоф і Бунзен за допомогою спектрального аналізу відкрили цезій, а в 1861 - рубідій. А гелій було відкрито Сонце на 27 років раніше, ніж Землі (1868 і 1895 роки відповідно).

Принцип роботи

Атоми кожного хімічного елемента мають строго певні резонансні частоти, у результаті саме цих частотах вони випромінюють чи поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видно лінії (темні або світлі) у певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини та її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають вміст досліджуваної речовини щодо відносної або абсолютної інтенсивності ліній або смуг у спектрах.

Оптичний спектральний аналіз характеризується відносною простотою виконання, відсутністю складної підготовки проб до аналізу, незначною кількістю речовини (10-30 мг), необхідної для аналізу велике числоелементів.

Атомарні спектри (поглинання або випромінювання) одержують переведенням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1000-10000 °C. Як джерела збудження атомів при емісійному аналізі струмопровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу поміщають у кратер одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я чи плазму різних газів.

Застосування

У Останнім часом, найбільшого поширенняотримали емісійні та мас-спектрометричні методи спектрального аналізу, що ґрунтуються на збудженні атомів та їх іонізації в аргоновій плазмі індукційних розрядів, а також у лазерній іскрі.

Спектральний аналіз - чутливий метод і широко застосовується в аналітичній хімії, астрофізиці, металургії, машинобудуванні, геологічній розвідці та інших галузях науки.

В теорії обробки сигналів спектральний аналіз також означає аналіз розподілу енергії сигналу (наприклад, звукового) за частотами, хвильовими числами і т.п.

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Балти
• Північна Хань

Дивитись що таке "Спектральний аналіз" в інших словниках:

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- Фізич. методи якостей. .і кількостей. визначення складу у ва, засновані на отриманні та дослідженні його спектрів. Основа С. а. спектроскопія атомів і молекул, його класифікують за цілями аналізу та типами спектрів. Атомний С. а. (АСА) визначає… … Фізична енциклопедія

Спектральний аналіз- Вимірювання складу речовини, засноване на дослідженні його спектрів. Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

Спектральний аналіз- Див. Спектроскопія. Геологічний словник: у 2-х томах. М.: Надра. За редакцією К. Н. Паффенгольця та ін. 1978. Спектральний аналіз … Геологічна енциклопедія

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- Введене Бунзеном і Кірхгофом у 1860 році хімічне дослідження речовини за допомогою властивих цьому останньому кольорових ліній, які помічаються, якщо дивитися на нього (під час випаровування) через призму. Пояснення 25000 іноземних слів. Словник іноземних слів російської мови

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ, один з методів аналізу, в якому використовуються спектри (див. Спектроскопія, спектроскоп), що даються тим» або іншими тілами при їх розжарюванні! або при пропущенні через розчини променів, що дають суцільний спектр. Для… … Велика медична енциклопедія

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ - фізичний методякісного та кількісного визначення складу речовини, що проводиться за його спектрами оптичними. Розрізняють атомний та молекулярний спектральний аналіз, емісійний (за спектрами випромінювання) та абсорбційний (за спектрами… Великий Енциклопедичний словник

Спектральний аналіз- математико статистичний методаналізу часових рядів, при якому ряд розглядається як складна сукупність, суміш гармонійних коливань, що накладаються один на одного. При цьому основна увага приділяється частоті. Економіко-математичний словник

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- Фіз. методи якісного та кількісного визначення хім. складу будь-яких речовин на основі отримання та дослідження їх оптичного спектру. Залежно від характеру використовуваних спектрів розрізняють такі види: випромінювання (емісійний С … Велика політехнічна енциклопедія

Спектральний аналіз- I Спектральний аналіз фізичного методу якісного та кількісного визначення атомного та молекулярного складу речовини, заснований на дослідженні його спектрів. Фізична основаС. а. Спектроскопія атомів та молекул, його… Велика Радянська Енциклопедія

Спектральний аналіз- Зміст статті. I. Світіння тел. Спектр променевипускання. Сонячний спектр. Фраунгоферові лінії. Призматичний та дифракційний спектри. Розсіювання кольорів призми і решітки. ІІ. Спектроскопи. Колінчастий і прямий спектроскоп à vision directe. Енциклопедичний словник Ф.А. Брокгауза та І.А. Єфрона