Спектры. Спектральный анализ

Лучи различных цветов преломляются по-разному. Так, например, красные световые лучи в воздухе менее всего отклоняются стеклянной призмой к основанию последней. Наоборот, фиолетовые лучи в воздухе более всего преломляются стеклянной призмой.

В порядке увеличивающейся преломляемости идут лучи следующих цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Если из горизонтальной узкой щели, освещенной белыми лучами, пропустить через горизонтально расположенную призму пучок белых лучей, то получится вертикальный спектр, состоящий из всех цветов. Белый луч содержит в себе все цвета.

Различные спектры:

• Если пучок белого света от раскаленных твердых или жидких тел пропустить через призму, то получится сплошной спектр.

• Если щель осветить лучами от светящихся паров газов, то прошедший через призму пучок дает прерывистый (или линейный) спектр, состоящий из цветных линий или полос, разделенных темными промежутками.

• Белый луч, прошедший предварительно через какую-нибудь среду, а затем через призму, даст спектр поглощения, так как часть цветных лучей поглощает среда.

Спектральный анализ

Спектральный анализ очень часто используется в астрономии. С его помощью измеряют расстояние до небесных тел, их скорость, давление, плотность и даже определяют химический состав. Для этого используют специальные приборы – спектрографы и спектроскопы. В основе спектрального анализа лежит принцип разложения электромагнитного излучения по длинам волн. Этот метод называется спектроскопией.

Все наблюдаемые спектры разделяются на 3 класса:

• линейчатый спектр излучения;

• непрерывный спектр;

• линейчатый спектр поглощения.

В первом спектре излучают разреженные газы, непрерывный спектр дают твердые тела, жидкости или плотные газы, линейный спектр поглощения образуется при прохождении излучения непрерывного спектра через холодную разреженную среду.

Можно сказать и так: Спектральный анализ – это совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.

В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.

Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Атомы каждого химического элемента имеют строго определенные резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (темные или светлые) в определенных местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов.

Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путем нагревания пробы до 1000–10000°C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

В последнее время наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре.

Спектральный анализ – чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки.

В теории обработки сигналов спектральный анализ также означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п.