Спектральный анализ

Поряд з традиційним використанням у металургії та промислових підприємствах для аналізу металів і сплавів, в геології, археології, в астрофізиці, в аналітичній хімії, спектральний аналіз все частіше знаходить собі застосування в таких галузях як екологія, харчова промисловість, сільське господарство і медицина.

Спектральний аналіз лінійчатих спектрів випромінювання і поглинання застосовують для визначення хімічного складу речовини - якісного і кількісного аналізу речовини.

Чутливість цього методу дуже висока: за допомогою спектрального аналізу можна виявити елемент у складі складного речовини, навіть якщо його маса не перевищує 0,1 нг.

1) Застосування спектрального аналізу в екології - це аналіз каналізаційних відстійників при підготовці технології їх переробки, донних відкладів, аналіз ґрунтів, води, рослин, золи волос тварин і людини для оцінки зони екологічного ураження.

2) Застосування спектрального аналізу в сільському господарстві і харчовій промисловості - це аналіз ґрунтів, кормів, рослин, продуктів харчування на наявність домішок токсичних елементів і важких металів.

3) Застосування спектрального аналізу в астрофізиці для визначення складу зірок Спектри зірок - це їхні паспорти з описом всіх зоряних особливостей. Зірки складаються з тих же хімічних елементів, які відомі на Землі, але в процентному відношенні в них переважають легкі елементи: водень і гелій. По спектру зірки можна дізнатися її світність, відстань до зірки, температуру, розмір, хімічний склад її атмосфери, швидкість обертання навколо осі, особливості руху навколо загального центру тяжіння. Спектральний апарат, встановлений на телескопі, розкладає світло зірки по довжинах хвиль в смужку спектру. За спектром можна дізнатися, яка енергія приходить від зірки на різних довжинах хвиль і оцінити дуже точно її температуру. Колір і спектр зірок пов'язаний з їхньою температурою. У холодних зірок з температурою фотосфери 3 000 До переважає випромінювання в червоній області спектру. В спектрах таких зірках багато ліній металів і молекул. У гарячих блакитних зірок з температурою понад 10 000-15 000 До більша частина атомів іонізована. Повністю іонізовані атоми не дають спектральних ліній, тому у спектрах таких зірок ліній мало. За допомогою спектрального аналізу визначили хімічний склад Сонця. Яскраво світна поверхня Сонця, фотосфера, дає неперервний спектр. Більш холодні верхні шари сонячної атмосфери вибірково поглинають світло від фотосфери, що призводить до появи ліній поглинання на фоні безперервного спектру. Темні лінії поглинання в сонячному спектрі вперше були ретельно вивчені Фраунгофера, який виміряв довжини хвиль для 754 ліній. Виявилося, що зірки складаються з тих самих хімічних елементів, які є на Землі. Цікаво, що гелій (від грецького " Геліос - сонце) спочатку відкрили на Сонці (1895) і лише потім знайшли в атмосфері Землі.

4) Застосування спектрального аналізу в астрофізиці для визначення складу атмосфери планет. Атмосфери планет складаються з газових молекул. У холодних планетних атмосферах  іонізовані атоми з'являються тільки у верхніх, розріджених шарах. Отримавши за допомогою спектрографа знімок спектру поглинання планет, за темними лініями, що перетинають смужку спектру, визначають хімічний склад атмосфер планет.

5) Застосування спектрального аналізу в астрофізиці для визначення променевої швидкості зірок. Спектральний аналіз використовується для визначення променевої швидкості зірок і галактик по зсуву ліній у спектрі. Лінії в спектрі джерела, що наближається до спостерігача, зміщені до фіолетового кінця спектра, а лінії в спектрі згасаючого джерела - до червоного кінця спектра.

6) Застосування спектрального аналізу в астрофізиці для визначення тиску, напруженості електричного поля, індукції магнітного поля всередині зірок.Дослідження та аналіз спектрів зірок дозволяють визначити також тиск, напруженість електричного поля (ефект Штарка), індукцію магнітного поля (ефект Зеємана). За роздвоєння і періодичному взаємного зміщення (зближення і видалення) ліній визначають подвійну систему зірок. По періодичному зміщення ліній, то в червоний, то в фіолетову область спектру визначають пульсуючі зорі.

7) Застосування спектрального аналізу для визначення температури нагрітих тіл. Температуру нагрітого тіла визначають за положенням максимуму випромінювання у суцільному спектрі. Так, нагрітий до кімнатної температури тіло випромінює інфрачервоні промені; при температурі на кілька сотень градусів металу світиться червоним кольором; при подальшому підвищенні температури світіння стає жовтим, а потім синюватим. Зі збільшенням температури максимум випромінювання зміщується в короткохвильову частину спектру. Максимум випромінювання в суцільному спектрі пов'язаний з температурою тіла за законом Вина: довжина хвилі, що відповідає максимуму енергії, випромінюваної чорним тілом, обернено пропорційна його температурі.т Для Сонця положення максимуму випромінювання дає температуру фотосфери 6000 Оскільки Максимум її випромінювання припадає на видиме світло - в середині інтервалу для хвиль видимого світла значення λ ═ 0,55 нм. У результаті еволюції живих організмів очей виявився «розрахованим» саме на максимум випромінювання Сонця.

8) Застосування спектрального аналізу в металургії, машинобудуванні, атомній індустрії За допомогою спектрального аналізу можна виявити даний елемент у складі складного речовини. Завдяки універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомній індустрії.

9) Застосування спектрального аналізу в криміналістиці. В даний час в криміналістиці широко використовуються телевізійні спектральні системи (ТСС) для виявлення різного роду підробок документів: виявлення залитих, закреслених або вицвілих (згаслих текстів, записів, утворених втиснутими штрихами або виконаних на копіювального паперу; виявлення структури тканини; виявлення забруднень на тканинах (сажа та залишки мінеральних масел) при вогнепальних пошкодженнях і транспортних пригодах; виявлення замитих, а також розташованих на строкатих, темних і забруднених предметах слідів крові. У криміналістичних лабораторіях широко використовуються інструментальні методи аналізу атомного, молекулярного, фракційного і компонентного складу досліджуваних об'єктів, а також їх кристалічної та іншої структури.

Найбільш часто застосування інструментально-аналітичних методів дає інформацію про рід і вид досліджуваного речовини чи вироби, наприклад: отрута, наркотик, паливно-мастильна, вибухову, харчову  речовину, що має істотне значення для загального орієнтування в обставинах справи та розробці різних версій. Виявлення випадкових домішок, включень, накладень, відхилень від стандартної рецептури - або технології виготовлення дозволяє судити про джерело походження (місце виготовлення, розповсюдження чи зберігання), партії і часу випуску виробів. Тим самим може бути отримана інформація про зв'язку зі злочином конкретних предметів і осіб.

Велике значення має також встановлення  шляхом дослідження складу мікрочастинок накладень, механізму і топографії їх нанесення факт контактної взаємодії об'єктів, що вказує на причинний зв'язок із злочином конкретних матеріальних об'єктів. Однозначна зв'язок окремих властивостей об'єктів з природою мали місце впливів на об'єкт, що дозволяє встановити суттєві обставини справи, наприклад:; розплавлення - нитки електролампи після її пошкодження при наявності кисню повітря, тобто той факт, що аварія сталася при включеній фарі; тривалий період експлуатації моторної оливи, знайденого на місці дорожньої події. При виборі того чи іншого інструментально-аналітичного методу криміналістичного дослідження враховується: а) пов'язано його використання з пошкодженням (знищенням) речового доказу; б) чутливість методу; в) його інформативність, тобто приріст, кількість і якість інформації про досліджуваному об'єкті та її роль у вирішенні криміналістичних завдань. Метод може дати інформацію про морфологію поверхні або елементів досліджуваного об'єкта (волокна, кристала, клітини), про склад речовини (елементному, молекулярному, изотопном, фазовий, фракційному), про внутрішню структуру об'єкта, про його фізичних та хімічних властивостях. Оскільки криміналістичне дослідження пов'язане, як правило, з аналізом малих і мікроскопічних кількостей речовини, яка грає роль речового доказу( методи мікроскопії, відбивної спектроскопії та люмінесцентного аналізу). Методи оптичної мікроскопії є найбільш поширеними і використовуються в різних модифікаціях: в відбитому, що проходить і поляризованому світлі, з використанням світлого і темного поля, фазового контрасту, люмінесценцію в ультрафіолетових променях.  При цьому використовуються мікроскопи різного призначення: бінокулярні порівняльні (МБС), біологічні (МБІ), ультрафіолетові (МУФ), інфрачервоні (МІК), інструментальні (МІМ).

Великий обсяг цінної в криміналістичному відношенні інформації дає електронна просвітчаста і растрова мікроскопія. У першому випадку зображення виходить за рахунок проходження пучка електронів через ультратонкі зрізи досліджуваних об'єктів або зняті з поверхні об'єкта спеціальні репліки. В растровому мікроскопі пучок електронів сканує поверхню об'єкту та його зображення виходить за рахунок вторинних електронів, падіння первинних електронів. Електронна мікроскопія дозволяє отримати дані про природу, склад і походження мікрочастинок, способи нанесення речовини, наприклад лакофарбового покриття (заводське, кустарне), тривалості експлуатації виробу, характер впливів, причини пошкодження (механічне, термічне), способах технологічної обробки виробів і ін.

Отже,коло питань, які вирішуються методами спектрального аналізу, досить великий: аналіз особливо чистих речовин, бездефектний контроль готових виробів, експрес-аналіз металургійного лиття, розвідка рудних родовищ, аналіз місячного грунту і складу зоряного речовини, контроль промислових і побутових стічних вод, забруднення повітряного басейну і повітряного середовища виробничих приміщень. У відповідності з цим методи спектрального аналізу беруть собі на озброєння фахівці різних галузей знань: металурги, хіміки, біологи, астрономи, працівники сільського господарства і медицини, фізики і ін.

Одним з головних переваг спектрального аналізу є його неперевершено висока експресивність. В лічені секунди за допомогою найпростішого переносного стилометра проводиться маркувальний аналіз для контролю хімічного складу сировини, що надходить і матеріалів. Застосування квантометра для експрес-аналізу плавки металу, наприклад, у великих конвертерах, де весь процес закінчується за 30 хв, дозволяє протягом однієї хвилини зробити визначення 10 - 12 елементів, що дає можливість своєчасно ввести необхідну коригування в процес плавки. Подібні приклади підтверджують необхідність знань основ і методів спектрального аналізу сучасного інженера.

Основними перевагами спектроскопії перед іншими методами аналізу є:

-висока чутливість (10-5...10-7 %) - практично чутливість спектрального аналізу завжди вище чутливості вагового хімічного аналізу;

-досить хороша точність (3...5 %) - при малих концентраціях точність спектрального аналізу перевершує точність хімічного аналізу і може дещо поступатися йому при великих концентраціях;

- багатокомпонентність - методами спектрального аналізу можливе одночасне визначення 20 і більше елементів, у той час як при хімічному аналізі можливо тільки роздільне визначення кожного елемента, для чого потрібне проведення окремих специфічних реакцій;

-контроль виробів без їх руйнувань - спектроскопія залишається єдиним доступним методом аналізу великогабаритних виробів і предметів, що не допускають пошкодження їх поверхонь;

- вимога малого кількості  аналізованого зразка - у багатьох  випадках для проведення спектрального  аналізу досить сотих часток  грама досліджуваного речовини;

-універсальність - практично одні і ті ж методи спектрального аналізу придатні для визначення різних елементів і в найрізноманітніших об'єктах - від природного сировини до живої клітини;

-документальність - при фотографічному варіанті методу (отримання фотопластинки) або при фотоелектричної реєстрації (стрічка самописця або роздруківка) результати аналізу можуть зберігатися тривалий час і бути документом, за яким можна багаторазово провести перевірку правильності і точності аналізу.

ВИСНОВОК

Спектр - це розкладання світла на складові частини, промені різних кольорів. Метод дослідження хімічного складу різних речовин по їх лінійчатим спектрами випромінювання або поглинання називають спектральним аналізом. Для спектрального аналізу незначна кількість речовини. Швидкість і чутливість зробили цей метод є незамінним як в лабораторіях, так і на практиці. Так як кожен хімічний елемент таблиці Менделєєва випромінює характерний тільки для нього лінійчатий спектр випускання і поглинання, то це

дає можливість досліджувати хімічний склад речовини. Для точного дослідження спектрів такі прості пристосування, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, які дають чіткий спектр, тобто прилади, які добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекривання окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарата є призма або дифракційна решітка. Спектральний склад випромінювання речовин досить різноманітний. Але, незважаючи на це, всі спектри, як показує досвід, можна розділити на кілька типів: безперервні спектри, лінійчаті спектри, смугасті спектри, спектри поглинання Існують безперервні, секторні та смугасті спектри випромінювання і стільки ж видів спектрів поглинання. Лінійчаті спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, не зазнають зовнішніх впливів  На даний час відомі наступні види спектральних аналізів – атомний спектральний аналіз - визначає елементний склад зразка з атомним (іонним) спектрами випромінювання і поглинання), емісійний  - за спектрами випромінювання атомів, іонів і молекул, порушених різними джерелами електромагнітного випромінювання в діапазоні від g-випромінювання до мікрохвильового, атомно-абсорбційний  -здійснюють за спектрами поглинання електромагнітного випромінювання аналізованими об'єктами (атомами, молекулами, іонами речовини, що знаходиться в різних агрегатних станах),  атомно-флуоресцентний , молекулярний спектральний аналіз  - молекулярний склад речовин за молекулярними спектрами поглинання, люмінесценції і комбінаційного розсіювання світла, якісний молекулярний  - досить встановити наявність або відсутність аналітичних ліній обумовлених елементів. По яскравості ліній при візуальному перегляді можна дати грубу оцінку змісту тих або інших елементів в пробі, кількісний молекулярний - здійснюють порівнянням інтенсивностей двох спектральних ліній у спектрі проби, одна з