4.Спектральний аналіз та його застосування

Вивчення атомних і молекулярних спектрів випромінювання і поглинання покладено в основу спеціального методу дослідження складу і будови речовини — спектрального аналізу. Він грунтується на кількісних і якісних методах дослідження спектрів електромагнітного випромінювання речовин, які спостерігають за допомогою спеціальних приладів — спектрографів і спектрометрів.

Принцип дії цих приладів грунтується на їх здатності виокремлювати в просторі і часі з усього світлового потоку певні ділянки випромінювання. їх можна фіксувати фотографічним способом або вимірювати різні їхні характеристики — зміну світлового потоку, довжину хвилі спектральної лінії тощо (мал. 7.9).

Тому головним елементом спектрометрів є селективний пристрій Ф (дисперсійна призма, дифракційна ґратка, інтерферометр   тощо), за допомогою якого вдається виділити частину спектра в певному інтервалі довжин хвиль.

Метод визначення в тілах якісного складу і кількісного вмісту речовини за її спектром називають спектральним аналізом.

Селективність (від лат.selectus—вибраний)—вибірковість,ступінь здатності до вибірковості.

Для вивчення спектрів поглинання світловий потік від джерела Д спрямовують на досліджуваний об'єкт О, після проходження крізь який він потрапляє на селективний пристрій Ф. Відокремлена певним способом частина спектра фіксується пристроями відображення Я (сканувальні екрани, фотоелементи, фотоплівки тощо). Далі характеристики випромінювання порівнюються з одержаним спектром і залежно від обраного методу спектроскопії на підставі їх аналізу роблять висновки щодо досліджуваних спектрів поглинання.

За допомогою атомного спектрального аналізу визначають елементний склад зразка, зіставляючи його спектр зі спектральними лініями хімічних елементів, що наводяться у спеціальних таблицях і атласах. Для одержання спектра випромінювання досліджувану речовину потрібно перевести в газоподібний стан і активізувати, тобто перевести її атоми у збуджений стан. Найпростіше це можна зробити за допомогою нагрівання досліджуваного зразка, наприклад помістити його в полум'я.

Якщо досліджувана речовина перебуває в газоподібному стані, для одержання її лінійчастого спектра використовують іскровий розряд: за високої напруги на електродах у газовому середовищі виникає електричний розряд, у стовпі якого атоми досліджуваної речовини активізуються. Для спектрального аналізу твердих тіл часто застосовують дуговий розряд: досліджуваний зразок у плазмі дуги перетворюється на пару з високою температурою.

Кожен хімічний елемент має власний набір спектральнихліній, притаманний лише йому одному. Для одержання спектра випромінювання атоми речовини слід перевести у збуджений стан, наприклад нагріти тіло до високої температури. За високих температур атоми переходять у збуджений стан Е₂, E₃, Е₄, Е₅, в якому можуть перебувати недовго (мал. 7.10). З часом вони  повертаються  у свій  основний,  стабільний стан E₁, випромінюючи при цьому світловий квает пеевної частини:

Кожний хімічний елемент має свій, властивий лише йому набір спектральних ліній — атомний спектр. За лініями атомного спектра речовини за допомогою спеціальних таблиць, в яких наведено серії довжин хвиль спектрів випромінювання різних речовин, визначають хімічний склад зразка.

В основу молекулярного спектрального аналізу покладено порівняння виміряного спектра зразка зі спектрами окремих речовин. Молекулярні спектри подібні до атомних — вони також лінійчасті, проте мають свої особливості — спектральних ліній більше, тому вони утворюють доволі широкі смуги. Це пояснюють тим, що внаслідок взаємодії атомів, які складають молекулу, енергетичні рівні атомів розщеплюються, адже їх енергія зумовлена двома чинниками — власними коливаннями атомів у молекулі та іншими її рухами.

Лінійчастий атомний і смугастий молекулярний спектри відтворюють можливі електронні переходи з одного енергетичного рівня на інші.

У гірничодобувній промисловості за допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад зразків корисних копалин.

Спектр молекули є її однозначною характеристикою, за якою ідентифікують речовини.. Кількісний вміст речовини визначається за інтенсивністю випромінювання смугастого спектра. Зокрема, застосування сучасних фотоелектричних приладів сумісно з обчислювальною технікою дає змогу виз-начати склад речовин за досить малих їх мас — до 1 мкг і менше. Тому цей метод знайшов широке застосування в науці і техніці. Зокрема, у металургійному виробництві за його допомогою контролюють вміст домішок у сплавах, щоб отримувати матеріали із заданими властивостями.

Застосування спектрального аналізу в астрофізиці дає змогу визначати хімічний склад і рух небесних тіл, які знаходяться далеко за межами нашої галактики.

ЗАПИТАННЯ

1. Які існують оптичні спектри залежно від характеру поширення електромагнітних хвиль?

2. Які бувають види спектрів?

3. Як можна пояснити природу лінійчастих спектрів?

4. Які переходи атома супроводжуються поглинанням світла, а які — випромінюванням?

5. Що таке спектральний аналіз?

6. Який принцип покладено в основу дії спектральних приладів?

7. Для чого застосовують спектральний аналіз?