Školska enciklopedija. Spektralna analiza i vrste spektara

Uvod………………………………………………………………………………….2

Mehanizam zračenja…………………………………………………………………………………..3

Distribucija energije u spektru………………………………………………………….4

Vrste spektara………………………………………………………………………………………….6

Vrste spektralnih analiza…………………………………………………………7

Zaključak…………………………………………………………………………………..9

Književnost………………………………………………………………………………….11

Uvod

Spektar je razlaganje svjetlosti na sastavne dijelove, zrake različitih boja.

Metoda proučavanja kemijskog sastava različitih tvari iz njihovih emisijskih ili apsorpcijskih spektra naziva se spektralna analiza. Za spektralnu analizu potrebna je zanemariva količina tvari. Njegova brzina i osjetljivost učinile su ovu metodu nezamjenjivom kako u laboratorijima tako iu astrofizici. Budući da svaki kemijski element periodnog sustava emitira linijski spektar emisije i apsorpcije karakterističan samo za njega, to omogućuje proučavanje kemijski sastav tvari. Fizičari Kirchhoff i Bunsen prvi su ga pokušali napraviti 1859. godine, izgradivši spektroskop. Svjetlost je u njega propuštena kroz uski prorez izrezan na jednom rubu teleskopa (ova cijev s prorezom naziva se kolimator). Iz kolimatora su zrake padale na prizmu prekrivenu kutijom s unutarnje strane obloženom crnim papirom. Prizma je odbijala zrake koje su dolazile iz proreza. Rezultat je bio spektar. Nakon toga su prozor prekrili zastorom i postavili upaljeni plamenik na prorez kolimatora. U plamen svijeće naizmjenično su ubacivani komadići raznih tvari, a rezultirajući spektar gledali su kroz drugi teleskop. Ispostavilo se da su vruće pare svakog elementa striktno proizvodile zrake određena boja, a prizma je skrenula te zrake na strogo određeno mjesto, te stoga nijedna boja nije mogla prikriti drugu. To nam je omogućilo da zaključimo da je radikal novi put kemijska analiza– prema spektru tvari. Godine 1861., na temelju tog otkrića, Kirchhoff je dokazao prisutnost brojnih elemenata u kromosferi Sunca, postavljajući temelje astrofizici.

Mehanizam zračenja

Izvor svjetlosti mora trošiti energiju. Svjetlost su elektromagnetski valovi valne duljine 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Elektromagnetski valovi emitiraju se ubrzanim kretanjem nabijenih čestica. Ove nabijene čestice dio su atoma. Ali bez poznavanja strukture atoma ništa se pouzdano ne može reći o mehanizmu zračenja. Jasno je samo da unutar atoma nema svjetla, kao što nema zvuka u žici klavira. Poput žice koja počinje zvučati tek nakon što je udari čekić, atomi rađaju svjetlost tek nakon što su pobuđeni.

Da bi atom počeo zračiti, mora mu se prenijeti energija. Pri emitiranju atom gubi primljenu energiju, a za kontinuirani sjaj tvari neophodan je dotok energije njezinim atomima izvana.

Toplinsko zračenje. Najjednostavnija i najčešća vrsta zračenja je toplinsko zračenje, kod kojeg se energija koju su atomi izgubili na emitiranje svjetlosti nadoknađuje energijom toplinskog gibanja atoma ili (molekula) emitirajućeg tijela. Što je viša temperatura tijela, atomi se brže kreću. Kada se brzi atomi (molekule) sudaraju jedan s drugim, dio njihove kinetičke energije pretvara se u energiju pobude atoma, koji tada emitiraju svjetlost.

Toplinski izvor zračenja je Sunce, kao i obična žarulja sa žarnom niti. Svjetiljka je vrlo prikladan, ali jeftin izvor. Samo oko 12% ukupne energije oslobođene u svjetiljci elektro šok, pretvara se u svjetlosnu energiju. Toplinski izvor svjetlosti je plamen. Zrnca čađe zagrijavaju se zbog energije koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva i emitiraju svjetlost.

Elektroluminiscencija. Energija potrebna atomima za emitiranje svjetlosti također može doći iz izvora koji nisu toplinski. Tijekom pražnjenja u plinovima, električno polje prenosi veću kinetičku energiju elektronima. Brzi elektroni doživljavaju sudare s atomima. Dio kinetičke energije elektrona odlazi na pobuđivanje atoma. Pobuđeni atomi oslobađaju energiju u obliku svjetlosnih valova. Zbog toga je pražnjenje u plinu popraćeno sjajem. Ovo je elektroluminiscencija.

Katodoluminiscencija. Sjaj čvrste tvari, uzrokovano bombardiranjem njihovim elektronima, naziva se katodoluminiscencija. Zahvaljujući katodoluminiscenciji, zasloni katodnih cijevi televizora svijetle.

Kemiluminiscencija. Za neke kemijske reakcije, koji dolazi s oslobađanjem energije, dio te energije izravno se troši na emisiju svjetlosti. Izvor svjetlosti ostaje hladan (ima temperaturu okoliš). Ova pojava se naziva kemioluminiscencija.

Fotoluminiscencija. Svjetlost koja pada na tvar djelomično se reflektira, a djelomično apsorbira. Energija apsorbirane svjetlosti u većini slučajeva uzrokuje samo zagrijavanje tijela. Međutim, neka tijela sama počinju svijetliti izravno pod utjecajem zračenja koje pada na njih. Ovo je fotoluminiscencija. Svjetlost pobuđuje atome tvari (povećava njihovu unutarnju energiju), nakon čega se i sami osvjetljavaju. Na primjer, svjetleće boje koje prekrivaju mnoge ukrase za božićno drvce emitiraju svjetlost nakon zračenja.

Svjetlost emitirana tijekom fotoluminiscencije u pravilu ima veću valnu duljinu od svjetlosti koja pobuđuje sjaj. To se može promatrati eksperimentalno. Ako usmjerite zraku svjetlosti na posudu koja sadrži fluoresceit (organsko bojilo),

propuštena kroz ljubičasti filter, ova tekućina počinje svijetliti zeleno-žutom svjetlošću, tj. duža dužina valova od one ljubičaste svjetlosti.

Fenomen fotoluminiscencije naširoko se koristi u svjetiljkama dnevno svjetlo. Sovjetski fizičar S. I. Vavilov predložio je prekrivanje unutarnje površine cijevi za pražnjenje tvarima koje mogu jarko svijetliti pod djelovanjem kratkovalnog zračenja iz plinskog pražnjenja. Fluorescentne žarulje su otprilike tri do četiri puta ekonomičnije od konvencionalnih žarulja sa žarnom niti.

Navedene su glavne vrste zračenja i izvori koji ih stvaraju. Najčešći izvori zračenja su toplinski.

Raspodjela energije u spektru

Na ekranu iza lomne prizme monokromatske boje u spektru raspoređene su sljedećim redoslijedom: crvena (koja ima najveću valnu duljinu vidljivo svjetlo valna duljina (k = 7,6 (10-7 m i najmanji indeks loma), narančasta, žuta, zelena, cijan, indigo i ljubičasta (s najkraćom valnom duljinom u vidljivom spektru (f = 4 (10-7 m i najveći indeks) ) lom).Nijedan od izvora ne proizvodi monokromatsku svjetlost, odnosno svjetlost strogo određene valne duljine. U to nas uvjeravaju pokusi rastavljanja svjetlosti na spektar pomoću prizme, kao i pokusi interferencije i difrakcije.

Energija koju svjetlost nosi sa sobom iz izvora raspoređuje se na određeni način po valovima svih duljina koji čine svjetlosni snop. Također možemo reći da je energija raspoređena po frekvencijama, budući da postoji jednostavan odnos između valne duljine i frekvencije: v = c.

Gustoća toka elektromagnetska radijacija, ili intenzitet /, određen je energijom &W koja se može pripisati svim frekvencijama. Za karakterizaciju raspodjele frekvencija zračenja potrebno je uvesti novu veličinu: intenzitet po jedinici frekvencijskog intervala. Ta se veličina naziva spektralna gustoća intenziteta zračenja.

Spektralna gustoća toka zračenja može se odrediti eksperimentalno. Da biste to učinili, trebate upotrijebiti prizmu za dobivanje spektra zračenja, na primjer, električnog luka i izmjeriti gustoću toka zračenja koja pada na male spektralne intervale širine Av.

Ne možete se osloniti na svoje oko da biste procijenili distribuciju energije. Oko ima selektivnu osjetljivost na svjetlost: njegova najveća osjetljivost nalazi se u žuto-zelenom području spektra. Najbolje je iskoristiti svojstvo crnog tijela da gotovo potpuno apsorbira svjetlost svih valnih duljina. U ovom slučaju energija zračenja (tj. svjetlost) uzrokuje zagrijavanje tijela. Stoga je dovoljno izmjeriti tjelesnu temperaturu i na temelju nje procijeniti količinu apsorbirane energije u jedinici vremena.

Obični termometar je previše osjetljiv da bi se uspješno koristio u takvim pokusima. Za mjerenje temperature potrebni su osjetljiviji instrumenti. Možeš uzeti električni termometar, u kojem je osjetljivi element izrađen u obliku tankog metalna ploča. Ova ploča mora biti obložena tankim slojem čađe, koji gotovo potpuno apsorbira svjetlost bilo koje valne duljine.

Toplinski osjetljivu ploču uređaja treba postaviti na jedno ili drugo mjesto u spektru. Cijeli vidljivi spektar duljine l od crvenih do ljubičastih zraka odgovara frekvencijskom intervalu od v cr do y f. Širina odgovara malom intervalu Av. Zagrijavanjem crne ploče uređaja može se prosuditi gustoća toka zračenja po frekvencijskom intervalu Av. Pomičući ploču duž spektra, nalazimo to većina energija pada na crveni dio spektra, a ne na žuto-zeleni, kako se oku čini.

Na temelju rezultata ovih pokusa moguće je konstruirati krivulju ovisnosti spektralne gustoće intenziteta zračenja o frekvenciji. Spektralna gustoća intenziteta zračenja određena je temperaturom ploče, a frekvenciju nije teško pronaći ako je uređaj koji se koristi za razlaganje svjetlosti kalibriran, odnosno ako se zna kojoj frekvenciji odgovara određeni dio spektra. do.

Crtanjem duž osi apscisa vrijednosti frekvencija koje odgovaraju središtima intervala Av, a duž osi ordinata spektralne gustoće intenziteta zračenja, dobivamo niz točaka kroz koje možemo povući glatku krivulju. Ova krivulja daje vizualni prikaz distribucije energije i vidljivog dijela spektra električnog luka.

Spektralna analiza je metoda proučavanja kemijskog sastava različitih tvari pomoću njihovih spektara.

Analiza provedena pomoću emisijskih spektara naziva se emisijska spektralna analiza, a analiza provedena pomoću apsorpcijskih spektara naziva se apsorpcijska spektralna analiza.

Spektralna analiza emisije temelji se na sljedećim činjenicama:

1. Svaki element ima svoj spektar (razlikuje se brojem linija, njihovim položajem i valnim duljinama), koji ne ovisi o načinu pobuđivanja.

2. Intenzitet spektralnih linija ovisi o koncentraciji elementa u određenoj tvari.

Da bi se izvršila spektralna analiza tvari nepoznatog kemijskog sastava, potrebno je izvršiti dvije operacije: nekako prisiliti atome te tvari da emitiraju svjetlost s linijskim spektrom, zatim rastaviti tu svjetlost u spektar i odrediti valne duljine linije uočene u njemu. Uspoređujući dobiveni linijski spektar s poznatim spektrima kemijskih elemenata periodnog sustava, moguće je odrediti koji su kemijski elementi prisutni u sastavu tvari koja se proučava. Usporedbom intenziteta različitih linija u spektru može se odrediti relativni sadržaj različitih elemenata u ovoj tvari.

Spektralna analiza mogu biti kvalitativni i kvantitativni.

Ako je tvar koja se proučava u plinovitom stanju, tada se obično koristi iskričasto pražnjenje za pobuđivanje atoma tvari. Cijev s dvije elektrode na krajevima ispunjena je plinom koji se proučava. Visoki napon se dovodi do ovih elektroda i dolazi do električnog pražnjenja u cijevi. Udari elektrona ubrzanih električnim poljem dovode do ionizacije i ekscitacije atoma plina koji se proučava. Prilikom prijelaza pobuđenih atoma u normalno stanje emitiraju se kvanti svjetlosti karakteristični za dati element.

Da bi se odredio kemijski sastav tvari u krutom ili tekućem stanju iz njenog emisijskog spektra, potrebno je najprije tvar koja se proučava pretvoriti u plinovito stanje i na neki način prisiliti taj plin da emitira svjetlost. Obično se lučno pražnjenje koristi za provođenje spektralne analize uzoraka tvari u čvrstom stanju. U lučnoj plazmi tvar se pretvara u paru, a atomi se pobuđuju i ioniziraju. Elektrode između kojih se pali lučno pražnjenje obično su izrađene od ispitivane tvari (ako je metal) ili od grafita ili bakra. Ugljik i bakar odabrani su iz razloga što spektri emisije njihovih atoma u vidljivom području nemaju veliki broj linije i stoga ne stvaraju ozbiljne smetnje u promatranju spektra tvari koja se proučava. Prašak ispitivane tvari stavlja se u udubljenje donje elektrode.

Književnost

Aksenovich L. A. Fizika u Srednja škola: Teorija. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove općeg obrazovanja. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ur. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 531-532.

Spektralna analiza se dijeli na nekoliko neovisne metode. Među njima su: infracrvena i ultraljubičasta spektroskopija, atomska apsorpcija, analiza luminiscencije i fluorescencije, refleksijska i ramanska spektroskopija, spektrofotometrija, spektroskopija rendgenskih zraka, kao i niz drugih metoda.

Apsorpcijska spektralna analiza temelji se na proučavanju apsorpcijskih spektara elektromagnetskog zračenja. Spektralna analiza emisije provodi se korištenjem spektra emisije pobuđenih atoma, molekula ili iona. različiti putevi.

Spektralna analiza atomske emisije

Spektralna analiza često se naziva samo atomska emisijska spektralna analiza, koja se temelji na proučavanju emisijskih spektara slobodnih atoma i iona u plinovitoj fazi. Provodi se u rasponu valnih duljina 150-800 nm. Uzorak ispitivane tvari unosi se u izvor zračenja, nakon čega dolazi do isparavanja i disocijacije molekula u njemu, kao i ekscitacije nastalih iona. Oni emitiraju zračenje, koje bilježi uređaj za snimanje spektralnog uređaja.

Rad sa Spectrom

Spektri uzoraka uspoređeni su sa spektrima poznatih elemenata koji se nalaze u odgovarajućim tablicama spektralnih linija. Tako se utvrđuje sastav tvari koja se analizira. Kvantitativna analiza uključuje koncentraciju određenog elementa u analitu. Prepoznaje se po veličini signala, npr. po stupnju zacrnjenja ili optičkoj gustoći linija na fotografskoj ploči ili po intenzitetu svjetlosnog toka na fotoelektričnom prijemniku.

Vrste spektara

Kontinuirani spektar zračenja daju tvari u krutom ili tekućem stanju, kao i gusti plinovi. U takvom spektru nema prekida, u njemu su zastupljeni valovi svih duljina. Njegov karakter ne ovisi samo o svojstvima pojedinih atoma, već io njihovoj međusobnoj interakciji.

Linijski emisijski spektar karakterističan je za tvari u plinovitom stanju, dok atomi gotovo i ne djeluju međusobno. Činjenica je da izolirani atomi jednog kemijski element emitiraju valove strogo određene valne duljine.

Kako se gustoća plina povećava, spektralne linije počinju se širiti. Za promatranje takvog spektra koristi se sjaj plinskog pražnjenja u cijevi ili para tvari u plamenu. Ako preskočite Bijelo svjetlo kroz plin koji ne emitira, tamne linije u apsorpcijskom spektru će se pojaviti na pozadini kontinuiranog spektra izvora. Plin najintenzivnije upija svjetlost onih valnih duljina koje emitira zagrijavanjem.

Spektralna analiza je skup metoda za kvalitativno i kvantitativno određivanje sastava objekta, koji se temelji na proučavanju spektra interakcije tvari sa zračenjem, uključujući spektre elektromagnetskog zračenja, akustičnih valova, raspodjele mase i energije elementarnih čestica. itd.

Ovisno o namjeni analize i vrsti spektra, razlikuje se nekoliko metoda spektralne analize:

Spektralna analiza emisije - fizikalna metoda, na temelju proučavanja spektra emisije para analizirane tvari (spektra emisije ili zračenja) koji nastaju pod utjecajem jakih izvora uzbude (električni luk, visokonaponska iskra); Ova metoda omogućuje određivanje elementarnog sastava tvari, odnosno prosuđivanje koji kemijski elementi ulaze u sastav određene tvari.

Plamena spektrofotometrija ili plamena fotometrija, koja je vrsta emisijske spektralne analize, temelji se na proučavanju emisijskih spektara elemenata analizirane tvari, koji nastaju pod utjecajem mekih izvora pobude. U ovoj metodi, otopina koja se analizira raspršuje se u plamen. Ova metoda omogućuje procjenu sadržaja uglavnom alkalijskih i zemnoalkalijskih metala u analiziranom uzorku, kao i nekih drugih elemenata, na primjer galija, indija, talija, olova, mangana, bakra, fosfora.

Bilješka. Uz plameno-emisionu fotometriju koristi se i apsorpcijska fotometrija, koja se naziva i atomska apsorpcijska spektroskopija ili atomska apsorpcijska spektrofotometrija. Temelji se na sposobnosti slobodnih metalnih atoma u plamenim plinovima da apsorbiraju svjetlosnu energiju na valnim duljinama karakterističnim za svaki element. Ovom metodom mogu se odrediti antimon, bizmut, selen, cink, živa i neki drugi elementi koji se ne mogu odrediti plamenoemisionom fotometrijom.

Apsorpcijska spektroskopija temelji se na proučavanju apsorpcijskih spektara tvari, što je njezina individualna karakteristika. Postoji spektrofotometrijska metoda koja se temelji na određivanju apsorpcijskog spektra ili mjerenju apsorpcije svjetlosti (kako u ultraljubičastom, tako i u vidljivom i infracrvenom području spektra) pri strogo određenoj valnoj duljini (monokromatsko zračenje), koja odgovara maksimumu apsorpcijske krivulje. dane tvari koja se proučava, kao i fotokolorimetrijska metoda, koja se temelji na određivanju apsorpcijskog spektra ili mjerenju apsorpcije svjetlosti u vidljivom dijelu spektra.

Za razliku od spektrofotometrije, fotokolorimetrijska metoda koristi "bijelo" svjetlo ili "bijelo" svjetlo prethodno propušteno kroz širokopojasne filtre.

Metoda analize ramanovim spektrom. Metoda koristi fenomen koji su istovremeno otkrili sovjetski fizičari G. S. Landsberg i L. I. Mandelstam te indijski fizičar C. V. Raman. Ova pojava povezana je s apsorpcijom monokromatskog zračenja od strane tvari i naknadnom emisijom novog zračenja koje se po valnoj duljini razlikuje od apsorbiranog.

Turbidimetrija se temelji na mjerenju intenziteta svjetlosti koju apsorbira neobojena suspenzija čvrsta. U turbidimetriji, intenzitet svjetlosti koju apsorbira ili propušta otopina mjeri se na isti način kao u fotokolorimetriji obojenih otopina.

Nefelometrija se temelji na mjerenju intenziteta svjetlosti reflektirane ili raspršene obojenom ili neobojenom suspenzijom krute tvari (sediment suspendiran u određenom mediju).

Luminescentna ili fluorescentna metoda analize temelji se na mjerenju intenziteta vidljive svjetlosti (fluorescencije) koju emitiraju tvari kada su ozračene ultraljubičastim zrakama.

10) Optičke metode analize također uključuju refraktometrijsku metodu, koja se temelji na mjerenju indeksa loma, i polarometrijsku metodu, koja se temelji na proučavanju rotacije ravnine polarizacije.

Tamne linije u spektralnim prugama primjećuju se već duže vrijeme, ali prva ozbiljnija istraživanja ovih linija poduzeo je Joseph Fraunhofer tek 1814. godine. U njegovu čast, efekt je nazvan "Fraunhoferove linije". Fraunhofer je utvrdio stabilnost položaja redaka, sastavio njihovu tablicu (ukupno je izbrojao 574 redaka) i svakom dodijelio alfanumeričku šifru. Ništa manje važan nije bio njegov zaključak da linije nisu povezane ni s optičkim materijalom ni s zemljina atmosfera, ali su prirodna karakteristika sunčeve svjetlosti. Otkrio je slične linije u umjetnim izvorima svjetlosti, kao iu spektrima Venere i Siriusa.

Uskoro je postalo jasno da se jedna od najjasnijih linija uvijek pojavljuje u prisutnosti natrija. Godine 1859. G. Kirchhoff i R. Bunsen nakon niza pokusa zaključili su: svaki kemijski element ima svoj jedinstveni linijski spektar, a iz spektra nebeskih tijela može se zaključiti o sastavu njihove tvari. Od tog trenutka u znanosti se pojavila spektralna analiza, moćna metoda za daljinsko određivanje kemijskog sastava.

Kako bi testirala metodu, 1868. godine Pariška akademija znanosti organizirala je ekspediciju u Indiju, gdje se spremala potpuna pomrčina Sunca. Tamo su znanstvenici otkrili: sve tamne linije u trenutku pomrčine, kada je spektar emisije zamijenio apsorpcijski spektar sunčeve korone, postale su, kako je i predviđeno, svijetle na tamnoj pozadini.

Postupno se razjašnjavala priroda svake od linija i njihova veza s kemijskim elementima. Godine 1860. Kirchhoff i Bunsen otkrili su cezij pomoću spektralne analize, a 1861. rubidij. A helij je na Suncu otkriven 27 godina ranije nego na Zemlji (1868. odnosno 1895.).

Princip rada

Atomi svakog kemijskog elementa imaju strogo određene rezonantne frekvencije, zbog čega upravo na tim frekvencijama emitiraju ili apsorbiraju svjetlost. To dovodi do činjenice da su u spektroskopu linije (tamne ili svijetle) vidljive na spektrima na određenim mjestima karakterističnim za svaku tvar. Intenzitet linija ovisi o količini tvari i njezinom stanju. U kvantitativnoj spektralnoj analizi sadržaj ispitivane tvari određen je relativnim ili apsolutnim intenzitetom linija ili vrpci u spektru.

Optičku spektralnu analizu karakterizira relativna jednostavnost provedbe, odsutnost složene pripreme uzorka za analizu i mala količina tvari (10-30 mg) potrebna za analizu velikog broja elemenata.

Atomski spektri (apsorpcijski ili emisijski) dobivaju se prevođenjem tvari u stanje pare zagrijavanjem uzorka na 1000-10000 °C. Iskra ili izmjenični luk koriste se kao izvori pobude atoma u analizi emisije vodljivih materijala; u ovom slučaju uzorak se stavlja u krater jedne od ugljičnih elektroda. Plamen ili plazma raznih plinova široko se koriste za analizu otopina.

Primjena

U posljednje vrijeme najviše su rasprostranjene emisijske i maseno spektrometrijske metode spektralne analize koje se temelje na ekscitaciji atoma i njihovoj ionizaciji u argonskoj plazmi indukcijskih izboja, kao iu laserskoj iskri.

Spektralna analiza je osjetljiva metoda i naširoko se koristi u analitičkoj kemiji, astrofizici, metalurgiji, strojarstvu, geološkim istraživanjima i drugim granama znanosti.

U teoriji obrade signala, spektralna analiza također znači analizu distribucije energije signala (na primjer, zvuka) po frekvencijama, valnim brojevima itd.

Ministarstvo obrazovanja i znanosti
Republika Kazahstan

Karaganda Državno sveučilište
nazvan po E.A. Buketova

Fizički fakultet

Zavod za optiku i spektroskopiju

Tečajni rad

na temu:

Spektri. S spektralna analiza i njena primjena.

Pripremio:

student grupe FTRF-22

Akhtariev Dmitry.

Provjereno:

učitelj, nastavnik, profesor

Kusenova Asiya Sabirgalievna

Karaganda - 2003 Plan

Uvod

1. Energija u spektru

2. Vrste spektara

3. Spektralna analiza i njezina primjena

4. Spektralni uređaji

5. Spektar elektromagnetskog zračenja

Zaključak

Popis korištene literature

Uvod

Proučavanje linijskog spektra tvari omogućuje nam da odredimo od kojih se kemijskih elemenata sastoji i u kojoj je količini svaki element sadržan u određenoj tvari.

Kvantitativni sadržaj elementa u ispitivanom uzorku određuje se usporedbom intenziteta pojedinih linija u spektru tog elementa s intenzitetom linija drugog kemijskog elementa, čiji je kvantitativni sadržaj u uzorku poznat.

Metoda određivanja kvalitativnog i kvantitativnog sastava tvari iz njenog spektra naziva se spektralna analiza. Spektralna analiza naširoko se koristi u istraživanju minerala za određivanje kemijskog sastava uzoraka rude. U industriji, spektralna analiza omogućuje kontrolu sastava legura i nečistoća unesenih u metale kako bi se dobili materijali s određenim svojstvima.

Prednosti spektralne analize su visoka osjetljivost i brzina dobivanja rezultata. Pomoću spektralne analize moguće je otkriti prisutnost zlata u uzorku težine 6 * 10 -7 g s njegovom masom od samo 10 -8 g. Određivanje kvalitete čelika metodom spektralne analize može se izvesti u nekoliko desetke sekundi.

Spektralna analiza omogućuje određivanje kemijskog sastava nebeska tijela, udaljen od Zemlje na udaljenosti od milijardi svjetlosnih godina. Kemijski sastav atmosfere planeta i zvijezda, hladnog plina u međuzvjezdanom prostoru određuje se iz apsorpcijskih spektara.

Proučavajući spektre, znanstvenici su mogli odrediti ne samo kemijski sastav nebeskih tijela, već i njihovu temperaturu. Po pomaku spektralnih linija može se odrediti brzina gibanja nebeskog tijela.

Energija u spektru.

Izvor svjetlosti mora trošiti energiju. Svjetlost su elektromagnetski valovi valne duljine 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Elektromagnetski valovi emitiraju se ubrzanim kretanjem nabijenih čestica. Ove nabijene čestice dio su atoma. Ali bez poznavanja strukture atoma ništa se pouzdano ne može reći o mehanizmu zračenja. Jasno je samo da unutar atoma nema svjetla, kao što nema zvuka u žici klavira. Poput žice koja počinje zvučati tek nakon što je udari čekić, atomi rađaju svjetlost tek nakon što su pobuđeni.

Da bi atom počeo zračiti, mora mu se prenijeti energija. Pri emitiranju atom gubi primljenu energiju, a za kontinuirani sjaj tvari neophodan je dotok energije njezinim atomima izvana.

Toplinsko zračenje. Najjednostavnija i najčešća vrsta zračenja je toplinsko zračenje, kod kojeg se energija koju su atomi izgubili na emitiranje svjetlosti nadoknađuje energijom toplinskog gibanja atoma ili (molekula) emitirajućeg tijela. Što je viša temperatura tijela, atomi se brže kreću. Kada se brzi atomi (molekule) sudaraju jedan s drugim, dio njihove kinetičke energije pretvara se u energiju pobude atoma, koji tada emitiraju svjetlost.

Toplinski izvor zračenja je Sunce, kao i obična žarulja sa žarnom niti. Svjetiljka je vrlo prikladan, ali jeftin izvor. Samo oko 12% ukupne energije koju oslobađa električna struja u svjetiljci pretvara se u svjetlosnu energiju. Toplinski izvor svjetlosti je plamen. Zrnca čađe zagrijavaju se zbog energije koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva i emitiraju svjetlost.

Elektroluminiscencija. Energija potrebna atomima za emitiranje svjetlosti također može doći iz izvora koji nisu toplinski. Tijekom pražnjenja u plinovima, električno polje prenosi veću kinetičku energiju elektronima. Brzi elektroni doživljavaju sudare s atomima. Dio kinetičke energije elektrona odlazi na pobuđivanje atoma. Pobuđeni atomi oslobađaju energiju u obliku svjetlosnih valova. Zbog toga je pražnjenje u plinu popraćeno sjajem. Ovo je elektroluminiscencija.

Katodoluminiscencija. Sjaj čvrstih tijela uzrokovan bombardiranjem elektrona naziva se katodoluminiscencija. Zahvaljujući katodoluminiscenciji, zasloni katodnih cijevi televizora svijetle.

Kemiluminiscencija. U nekim kemijskim reakcijama koje oslobađaju energiju, dio te energije se izravno troši na emisiju svjetlosti. Izvor svjetlosti ostaje hladan (na temperaturi je okoline). Ova pojava se naziva kemioluminiscencija.

Fotoluminiscencija. Svjetlost koja pada na tvar djelomično se reflektira, a djelomično apsorbira. Energija apsorbirane svjetlosti u većini slučajeva uzrokuje samo zagrijavanje tijela. Međutim, neka tijela sama počinju svijetliti izravno pod utjecajem zračenja koje pada na njih. Ovo je fotoluminiscencija. Svjetlost pobuđuje atome tvari (povećava njihovu unutarnju energiju), nakon čega se i sami osvjetljavaju. Na primjer, svjetleće boje koje prekrivaju mnoge ukrase za božićno drvce emitiraju svjetlost nakon zračenja.

Svjetlost emitirana tijekom fotoluminiscencije u pravilu ima veću valnu duljinu od svjetlosti koja pobuđuje sjaj. To se može promatrati eksperimentalno. Usmjerite li zraku svjetlosti propuštenu kroz ljubičasti filtar na posudu s fluoresceitom (organska boja), tada ta tekućina počinje svijetliti zeleno-žutim svjetlom, tj. svjetlom veće valne duljine od ljubičastog.

Fenomen fotoluminiscencije naširoko se koristi u fluorescentnim svjetiljkama. Sovjetski fizičar S. I. Vavilov predložio je prekrivanje unutarnje površine cijevi za pražnjenje tvarima koje mogu jarko svijetliti pod djelovanjem kratkovalnog zračenja iz plinskog pražnjenja. Fluorescentne žarulje su otprilike tri do četiri puta ekonomičnije od konvencionalnih žarulja sa žarnom niti.

Navedene su glavne vrste zračenja i izvori koji ih stvaraju. Najčešći izvori zračenja su toplinski.

Raspodjela energije u spektru. Nijedan od izvora ne proizvodi monokromatsku svjetlost, odnosno svjetlost strogo određene valne duljine. U to nas uvjeravaju pokusi rastavljanja svjetlosti na spektar pomoću prizme, kao i pokusi interferencije i difrakcije.

Energija koju svjetlost nosi sa sobom iz izvora raspoređuje se na određeni način po valovima svih duljina koji čine svjetlosni snop. Također možemo reći da je energija raspoređena po frekvencijama, jer postoji jednostavan odnos između valne duljine i frekvencije: ђv = c.

Gustoća toka elektromagnetskog zračenja, ili intenzitet /, određena je energijom &W koja se može pripisati svim frekvencijama. Za karakterizaciju raspodjele frekvencija zračenja potrebno je uvesti novu veličinu: intenzitet po jedinici frekvencijskog intervala. Ta se veličina naziva spektralna gustoća intenziteta zračenja.

Spektralna gustoća toka zračenja može se odrediti eksperimentalno. Da biste to učinili, trebate upotrijebiti prizmu za dobivanje spektra zračenja, na primjer, električnog luka i izmjeriti gustoću toka zračenja koja pada na male spektralne intervale širine Av.

Ne možete se osloniti na svoje oko da biste procijenili distribuciju energije. Oko ima selektivnu osjetljivost na svjetlost: njegova najveća osjetljivost nalazi se u žuto-zelenom području spektra. Najbolje je iskoristiti svojstvo crnog tijela da gotovo potpuno apsorbira svjetlost svih valnih duljina. U ovom slučaju energija zračenja (tj. svjetlost) uzrokuje zagrijavanje tijela. Stoga je dovoljno izmjeriti tjelesnu temperaturu i na temelju nje procijeniti količinu apsorbirane energije u jedinici vremena.

Obični termometar je previše osjetljiv da bi se uspješno koristio u takvim pokusima. Za mjerenje temperature potrebni su osjetljiviji instrumenti. Možete uzeti električni termometar, u kojem je osjetljivi element izrađen u obliku tanke metalne ploče. Ova ploča mora biti obložena tankim slojem čađe, koji gotovo potpuno apsorbira svjetlost bilo koje valne duljine.

Toplinski osjetljivu ploču uređaja treba postaviti na jedno ili drugo mjesto u spektru. Cijeli vidljivi spektar duljine l od crvenih do ljubičastih zraka odgovara frekvencijskom intervalu od v cr do y f. Širina odgovara malom intervalu Av. Zagrijavanjem crne ploče uređaja može se prosuditi gustoća toka zračenja po frekvencijskom intervalu Av. Pomičući ploču po spektru, ustanovit ćemo da je većina energije u crvenom dijelu spektra, a ne u žutozelenom, kako se oku čini.

Na temelju rezultata ovih pokusa moguće je konstruirati krivulju ovisnosti spektralne gustoće intenziteta zračenja o frekvenciji. Spektralna gustoća intenziteta zračenja određena je temperaturom ploče, a frekvenciju nije teško pronaći ako je uređaj koji se koristi za razlaganje svjetlosti kalibriran, odnosno ako se zna kojoj frekvenciji odgovara određeni dio spektra. do.

Crtanjem duž osi apscisa vrijednosti frekvencija koje odgovaraju središtima intervala Av, a duž osi ordinata spektralne gustoće intenziteta zračenja, dobivamo niz točaka kroz koje možemo povući glatku krivulju. Ova krivulja daje vizualni prikaz distribucije energije i vidljivog dijela spektra električnog luka.