Спектральный анализ

ЗМІСТ

ВСТУП

Лінійчаті спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, що не відчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись з лінійчатими спектрами, ми тим самим робимо перший крок до вивчення будови атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали можливість «заглянути» всередину атома. Тут оптика впритул стикається з атомною фізикою.

 Головна властивість  лінійчатих спектрів полягає в тому, що довжини хвиль (чи частоти) лінійного спектра будь-якого речовини залежать тільки від властивостей атомів цієї речовини, але зовсім не залежать від способу порушення світіння атомів. Атоми будь-якого хімічного елемента дають спектр , не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати строго - певний набір довжин хвиль.

На цьому заснований спектральний аналіз - метод визначення хімічного складу речовини з його спектру . Подібно відбитками пальців у людей лінійчаті спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторність візерунків на шкірі пальця допомагає часто знайти злочинця. Точно так само завдяки індивідуальності спектрів є можливість визначити хімічний склад тіла. За допомогою спектрального аналізу можна знайти даний елемент у складі складного речовини, якщо навіть його маса не перевищує 10 - 10г. Це дуже чутливий метод .

Кількісний аналіз складу речовини за його спектру ускладнений, так як яскравість спектральних ліній залежить не тільки від маси речовини, але і від способу порушення світіння . Так, при низьких температурах багато спектральні лінії взагалі не з'являються. Однак при дотриманні стандартних умов порушення світіння можна й кількісний спектральний аналіз .

Нині визначено спектри всіх атомів і складені таблиці спектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нових елементів( рубідій. цезій та інші).

Саме за допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонця і зірок.  Наприклад, гелій спочатку відкрили на Сонці і лише потім, знайшли в атмосфері Землі . Назва цього елемента нагадує про історію його відкриття : слово гелій означає в перекладі « сонячний» .

Завдяки порівняльній простоті й універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомної індустрії, криміналістиці, медицині.

Спектральний аналіз можна проводити не тільки за спектрами випускання , а й за спектрами поглинання.

Важливо знати, з чого складаються оточують нас тіла. Винайдено багато способів визначення їх складу.  
РОЗДІЛ 1. СПЕКТРАЛЬНІ ДІАПАЗОНИ

Електромагнітна хвиля — процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі.Сукупність всіх електромагнітних хвиль утворює так званий суцільний спектр електромагнітного випромінювання. Він підрозділяється на наступні діапазони (в порядку збільшення частоти і зменшення довжини хвиль):

• Радіохвилі

Радіохвилі можуть значно відрізнятися по довжині - від декількох сантиметрів до сотень і навіть тисяч кілометрів, що можна порівняти з радіусом Земної кулі (близько 6400 км). Хвилі всіх радіодіапазонів широко використовуються в техніці - дециметрові і ультракороткі метрові хвилі застосовуються для телемовлення та радіомовлення у діапазоні ультракоротких хвиль з частотною модуляцією, забезпечуючи високу якість прийому сигналу в межах зони прямого поширення хвиль. Радіохвилі метрового і кілометрового діапазону застосовуються для радіомовлення і радіозв'язку на великих відстанях з використанням амплітудної модуляції, яка забезпечує його передачу на скільки завгодно великі відстані в межах Землі завдяки відбиття хвиль від іоносфери планети. Хвилі дециметрового діапазону не можуть огинати земної горизонт подібно метровим хвилях, що обмежує зону прийому областю прямого поширення, що залежить від висоти антени і потужності передачі, становить від кількох до кількох десятків кілометрів.

• Мікрохвилі

Мікрохвилі і радіохвилі діапазону надвисоких частот (НВЧ) мають довжину від 300 мм до 1 мм. Сантиметрові хвилі, подібно дециметровим і метровим радіохвилям, практично не поглинаються атмосферою і тому широко використовуються в супутникового і стільникового зв'язку та інших телекомунікаційних системах. Розмір типової супутникової тарілки якраз дорівнює кільком таких довжинах хвиль.

Більш короткі НВЧ-хвилі також знаходять безліч застосувань в промисловості і в побуті (мікрохвильові печі, якими сьогодні оснащені і промислові хлібопекарні, і домашні кухні). Дія мікрохвильовій печі засноване на швидкому обертанні електронів в пристрої, який називається клістрон. В результаті електрони випромінюють електромагнітні НВЧ-хвилі певної частоти, при якій вони легко поглинаються молекулами води. Коли ви ставите їжу в мікрохвильову піч, молекули води, що містяться в їжі, поглинають енергію мікрохвиль, рухаються швидше і таким чином розігрівають їжу. Тобто, мікрохвильова піч розігріває її зсередини.

• Інфрачервоні промені

Ця частина електромагнітного спектра включає випромінювання з довжиною хвилі від 1 мм до 8 000 атомних діаметрів (близько 800 нм). Промені цієї частини спектру людина відчуває безпосередньо шкірою - як тепло. Якщо ви простягаєте руку у напрямку вогню або розжареного предмета і відчуваєте жар, що виходить від нього, ви сприймаєте як жар саме інфрачервоне випромінювання.

Оскільки більшість об'єктів на поверхні Землі випромінюють енергію в інфрачервоному діапазоні хвиль, детектори інфрачервоного випромінювання відіграють важливу роль у сучасних технологіях виявлення. Інфрачервоні окуляри приладів нічного бачення дозволяють людям «бачити в темряві», і з їх допомогою можна виявити не тільки людей, але і техніку, і споруди, які нагрілись за день і віддають вночі своє тепло в навколишнє середовище у вигляді інфрачервоних променів. Детектори інфрачервоних променів широко використовуються рятувальними службами, наприклад для виявлення живих людей під завалами після землетрусів чи інших стихійних лих і техногенних катастроф.

Спектральний склад випромінювання різних речовин дуже різноманітний. Але, незважаючи на це, всі спектри, як показує досвід, можна розділити на:

1.Безперервні спектри. Сонячний спектр  є безперервним, тобто представлені всі довжини хвиль. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачити суцільну різнобарвну смужку. Безперервні (або суцільні) спектри як показує досвід, дають тіла, що знаходяться в твердому або рідкому стані, а також щільні гази. Для отримання безперервного спектру потрібно нагріти тіло до високої температури. Характер безперервного спектру і сам факт його існування визначаються не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, але і в сильному ступені залежать від взаємодії атомів один з одним. Безперервний спектр дає також високотемпературна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою в основному при зіткненні електронів з іонами.

2.Лінійчаті спектри. При внесеннім в бліде полум'я газового пальника шматочок азбесту, змоченого розчином звичайної кухонної солі, спостерігається полум'я у спектроскоп на фоні ледь помітного неперервного спектра полум'я спалахне яскраво жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, які утворюються при розщепленні молекул кухонної солі в полум'я. На спектроскопі також можна побачити частокіл кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Такі спектри називаються лінійчатими . Наявність лінійчатого спектру означає, що речовина випромінює світло тільки цілком певних довжин хвиль (точніше, визначених дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна з ліній має кінцеву ширину. Лінійчаті спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному , але не молекулярному стані. У цьому випадку світло випромінюють атоми, які практично не взаємодіють один з одним. Це найбільш фундаментальний, основний тип спектрів. Ізольовані атоми даного хімічного елемента випромінюють певні довжини хвиль. Зазвичай для спостереження лінійчатих спектрів використовують світіння парів речовини в полум'я або світіння газового розряду в трубці, наповненої досліджуваним газом. При збільшенні щільності атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються і, нарешті, при дуже великій щільності газу, коли взаємодія атомів стає істотним, ці лінії перекривають один одного, утворюючи безперервний спектр.

3. Смугасті спектри. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. З допомогою дуже хорошого спектрального апарата можна виявити, що кожна смуга являє собою сукупність великого числа дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатих спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, не пов'язаних або слабко пов'язаних один з одним. Для спостереження молекулярних спектрів зазвичай використовують світіння парів в полум'я або світіння газового розряду.

4.Спектри поглинання. Всі речовини, атоми яких знаходяться в збудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі.

• Видиме світло

Довжини електромагнітних хвиль видимого світлового діапазону коливаються в межах 4 000 – 8 000 атомних діаметрів (800-400 нм). Людське око являє собою ідеальний інструмент для реєстрації та аналізу електромагнітних хвиль цього діапазону.  Оскільки хвилі видимої частини спектру практично безперешкодно поширюються  в атмосфері; температура поверхні Сонця (близько 5000°С) така, що пік енергії сонячних променів припадає саме на видиму частину спектра. Отже, головний джерело енергії випромінює величезну кількість енергії саме у видимому світловому діапазоні, а оточуюче нас середовище значною мірою прозоре для цього випромінювання. Не дивно тому, що людське око в процесі еволюції сформувався таким чином, щоб вловлювати і розпізнавати саме цю частину спектра електромагнітних хвиль. З фізичної точки зору в діапазоні видимих електромагнітних променів немає. Він являє собою всього лише вузьку смужку в широкому спектрі випромінюваних хвиль.

• Ультрафіолетові промені.

До ультрафіолетових променів відносять електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 4 000 - 100 атомних діаметрів (400-10 нм). В цій частині спектру випромінювання починає впливати на життєдіяльність живих організмів. М'які ультрафіолетові промені в сонячному спектрі (з довжинами хвиль, наближенням до видимої частини спектру), наприклад, викликають у помірних дозах засмагу, а в надлишкових - важкі опіки. Жорсткий (короткохвильової) ультрафіолет згубний для біологічних клітин і тому використовується, зокрема, в медицині для стерилізації хірургічних інструментів та медичного обладнання, вбиваючи всі мікроорганізми на їх поверхні.Все живе на Землі захищено від згубного впливу жорсткого ультрафіолетового випромінювання озоновим шаром земної атмосфери, поглинає більшу частину жорстких ультрафіолетових променів у спектрі сонячної радіації.

• Рентгенівські промені

Випромінювання в діапазоні довжин хвиль 10 – 100 атомних діаметрів ядра називається рентгенівським. Рентгенівські промені проникають крізь м'які тканини організму і тому незамінні в медичній діагностиці.

• Гамма-промені

Найкоротші по довжині хвилі і найвищі по частоті і енергії промені в електромагнітному спектрі - це γ-промені (гамма-промені). Вони складаються з фотонів надвисоких енергій і використовуються сьогодні в онкології для лікування ракових пухлин. Проте їх вплив на живі клітини настільки згубний, що при цьому доводиться дотримуватися крайню обережність, щоб не завдати шкоди оточуючим здоровим тканинам і органам.

Отже, всі  типи електромагнітного випромінювання виявляють себе зовні по-різному, по своїй суті вони є схожими, в будь-якій частині спектра представляють собою поперечні коливання електричного і магнітного полів, які  поширюються у вакуумі або в середовищі зі швидкістю світла с і відрізняються один від одного лише довжиною хвилі і, як наслідок, енергією, яку вони переносять.

РОЗДІЛ 2. ОСНОВНІ СПЕКТРИ МОЛЕКУЛ

Молекула – найменша частинка речовини, що складається з однакових або різних атомів, з’єднаних між собою хімічними зв’язками, і яка є носієм хімічних і фізичних властивостей цієї речовини.

Власні значення енергії, що може набувати молекула, є залежними від відстані між ядрами R, тобто E=E(R). Енергія, зумовлена електронною конфігурацією (електронна енергія) має при деякому значенні R мінімум. Зміна електронної конфігурації молекули приводить до зміни кривої залежності електронної енергії від відстані між ядрами R. В основному зміна енергетичного стану молекули відбувається внаслідок зміни в електронній конфігурації, що утворює периферійну частину молекули. При заданій електронній конфігурації, ядра молекули можуть коливатися і обертатися навколо загального центра мас . З цими видами руху зв’язані коливальна і обертальна енергії.