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), эмиссионный АСА (по спектрам испускания атомов, ионов и молекул, возбуждённым различными источниками электромагнитного излучения в диапазоне от g-излучения до микроволнового), атомно-абсорбционный СА (осуществляют по спектрам поглощения электромагнитного излучения анализируемыми объектами (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях)), атомно-флуоресцентный СА, молекулярный спектральный анализ (МСА) (молекулярный состав веществ по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рассеяния света.), качественный МСА (достаточно установить наличие или отсутствие аналитических линий определяемых элементов. По яркости линий при визуальном просмотре можно дать грубую оценку содержания тех или иных элементов в пробе), количественный МСА (осуществляют сравнением интенсивностей двух спектральных линий в спектре пробы, одна из которых принадлежит определяемому элементу, а другая (линия сравнения) - основному элементу пробы, концентрация которого известна, или специально вводимому в известной концентрации элементу).
фотометрия стилоскоп кирхгоф физический
3. Закон излучения Кирхгофа
Закон излучения Кирхгофа -- физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 год
В современной формулировке закон звучит следующим образом: Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.
Известно, что при падении электромагнитного излучения на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергию по некоторому закону, именуемому излучательной способностью тела .
Величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако, согласно закону излучения Кирхгофа, отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:
Реальные тела имеют поглощательную способность меньше единицы, а значит, и меньшую, чем у абсолютно чёрного тела, излучательную способность. Тела, поглощательная способность которых не зависит от частоты, называются серыми. Их спектр имеет такой же вид, как и у абсолютно чёрного тела. В общем же случае поглощательная способность тел зависит от частоты и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела. Изучение излучательной способности разных поверхностей впервые было проведено шотландским учёным Лесли при помощи его же изобретения -- куба Лесли.
В теоретических исследованиях для характеристики спектрального состава равновесного теплового излучения удобнее пользоваться функцией частоты. В экспериментальных работах удобнее пользоваться функцией длины волны Обе функции связаны друг с другом формулой
4. Прибор атомно-эмиссийного анализа ? стилоскоп
История стилоскопа начинается в 1850-1860х годах, когда немецкие учёные занимались проблемой обнаружения щелочных металлов с помощью спектроскопа (спектроскоп -- простейший оптический прибор для визуального наблюдения спектра света, подаваемого на вход прибора). В производстве же первыми использовать такое устройство догадались англичане. В 1923 году они начали использовать спектроскоп для сортировки лома, направленного в переплавку. Позднее, в 1931 году, прибор был модифицирован для быстрого обнаружения никеля, хрома и других металлов в сталях, и снабжён подвижным окуляром для наблюдения любой области видимого спектра. Такой прибор был назван «Steeloscope» (от слов сталь и наблюдение).
Первый стилоскоп в СССР был сконструирован в 1933 году в НИИФе МГУ. Там же была написана первая методика грубого определения основных легирующих добавок в стали (Ni, Cr, W, Mo, Co, Mn и V). Простота и дешевизна прибора стали гарантом его широкого распространения в промышленности.
Принцип действия, строение и работа прибора
Стилоскоп относится к визуальному эмиссионному спектральному анализу. По сути он является простейшим спектральным анализатором. Назначение этого прибора -- визуальный качественный и, в лучшем случае, полуколичественный спектральный анализ металлов и сплавов в видимой области спектра, к точности которого не предъявляется серьёзных требований.
Принцип работы этого прибора следующий: между исследуемым образцом и электродом (как правило, медным) зажигается разряд (искровой, дуговой или комбинированный). Оператор с помощью спектроскопа визуально наблюдает спектр этого разряда. Вращая ручку прибора, оператор просматривает весь спектр от фиолетовой до красной области, уделяя особое внимание тем участкам, где должны находиться спектральные линии примесей. Рис 1, рис 2 и рис 3 -- пример спектра, наблюдаемого оператором в окуляре стилоскопа
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Найдя такую область по атласу для стилоскопа, оператор идентифицирует спектральную линию какой либо примеси и далее, визуально сравнивая её по яркости свечения с соседними линиями основы, делает выводы относительно концентрации той или иной примеси, сверяясь с таблицей. (рис 4, рис 5 и рис 6 -- примеры спектра в таблице и участка спектра, служащего для определения концентрации, взятые из типичного атласа спектральных линий для стилоскопа)
Рисунки из атласа спектральных линий для стилоскопа
Рис. 4. Вид спектра железа
Рис. 5 Вид спектра меди
фотометрия стилоскоп кирхгоф физический
Рис. 6. Спектральные линии для спектроскопического определения никеля и меди в сталях
Естественно, оператор может видеть спектр лишь в тот момент, когда горит разряд. Найти требуемый участок спектра, идентифицировать линию и оценить её яркость занимает значительное время. И эту процедуру надо повторить для каждой примеси, иногда по много раз. Прибор перегревается через несколько минут и его надо выключить, чтоб он остыл, после включить и продолжить оценку. Естественно, чем опытнее стилоскопист, тем точнее и быстрее он может оценить количество примесей в исследуемом образце.
Достоинства и недостатки:
Достоинства стилоскопа: цена. Простота в изготовлении и дешевизна компонентов складываются в невысокую стоимость прибора.
Недостатки: их много, попробуем перечислить:
1. Источником свечения являются крайне простые и дешёвые генераторы, не обеспечивающие стабильность свечения разряда, зависящие от колебаний напряжения в сети. Это сводит на нет попытки оборудовать стилоскоп видеокамерой и программным обеспечением для расшифровки спектров, якобы повышающих точность прибора, но на деле повышающих лишь стоимость: неоднозначность результатов заложена ещё в генераторе.
2. Регистрирующим элементом является глаз оператора. Индивидуальное восприятие информации у разных людей разное. Даже у одного человека оно может быть разным ото дня ко дню. Образно говоря, на результаты анализа может влиять то, что вчера оператор пил и ел, или хорошо ли он выспался. «Человеческий фактор» влияет на результаты анализа -- это неприемлемо в современных условиях производства.
3. Стилоскоп работает исключительно в видимой области спектра -- то есть там, где глаз может видеть этот спектр. Приблизительно от 400 нм до 700 нм. И далеко не каждый человек способен различать свет даже на границах этой области. Кроме того, основные спектральные линии (наиболее яркие и стабильные) находятся в диапазоне от 190 нм до 400 нм и ниже, поэтому они недоступны для регистрации стилоскопом. Это сильно снижает возможные пределы обнаружения.
4. Хороший оператор стилоскопа помнит множество фрагментов спектров исследуемых металлов визуально. Обучение стилоскописта, способного выдавать удовлетворительные результаты измерений за разумное время занимает месяцы, а иногда и годы. Не говоря о том, что сейчас в нашей стране учебные заведения уже не обучают этой профессии.
5. Ну и наконец, стилоскоп не является средством измерения, это оценочный анализатор. Результаты измерения на стилоскопе не легитимны, их нельзя ни внести в сертификат готовой продукции, ни использовать в арбитраже (судебных спорах).
В настоящий момент известны такие стилоскопы, как СЛУ, СЛ-13, СЛП и др. Все они на сегодняшний день идеологически устарели. И даже включение в их состав различного дополнительного оборудования, позволяющего, например, облегчить оценку интенсивностей линий, или даже сфотографировать спектр и обработать его специальным программным обеспечением на компьютере, не позволяют заменить современный аналитический прибор стилоскопом ввиду описанных выше особенностей.
Программное обеспечение сохраняет зарегистрированный спектр, автоматически производит необходимые расчеты и выдает оператору на монитор концентрации всех элементов в соответствии с выбранной методикой.
Применение современных технологий и материалов позволили нашей компании создать эмиссионные оптические спектрометры, работающие стабильно в течение многих лет.
Заключение
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.
Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце, и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого
элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».
Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.
Состав сложных, главным образом органических, смесей анализи¬руется по их молекулярным спектрам.
Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца ? фотосфера ? дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.
Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.
В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т.д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.
Важно знать, из чего состоят окружающие нас тела. Изобретено много способов определения их состава. Но состав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.