Спектральный анализ в оптике

Оптические (спектральные) методы анализа

Спектральный анализ в оптике

Физико-химические методы анализа

Основные вопросы:

  1. Классификация физико-химических методов анализа.
  2. Оптические методы анализа.
  3. Электрохимические методы анализа.
  4. Хроматографические методы анализа.

Физико-химические методы анализа (инструментальные методы) – отдельный раздел аналитической химии, заданием которого является определение количественного и качественного состава веществ при изменении их физико-химических свойств.

Преимущества физико-химических методов анализа:

ü скорость определения;

ü высокая чувствительность; высокая избирательность;

ü возможность непрерывного выполнения анализов;

ü возможность широкого применения компьютерных баз данных и программного обеспечения.

Задачи, решаемые с помощью физико-химических методов анализа:

1. Определение качества сырья.

2. Контроль процессов производства.

3. Анализ отходов производства с целью их утилизации и охрана окружающей среды.

4. Контроль качества произведённой продукции.

5. Определение в сырье и в продовольственных и непродовольственных товарах предельно допустимых концентраций (ПДК) токсических веществ (Нg, Pb, Cd, канцерогенные соединения, ароматические углеводороды, N- нитрозоамины).

Физико-химические методы– это методы анализа, которые основываются на зависимости физической характеристики веществ (светопоглощения, светопреломления, электрической проводимости, теплопроводности) от их химического состава. Интенсивность физического сигнала зависит от концентрации исследуемого компонента. Измерения проводят с помощью соответствующей аппаратуры (инструментальные методы).

Аналитический сигнал – любое проявление химических и физических свойств объекта анализа, которое можно использовать для количественной и качественной оценки компонентов вещества.

Количественное определение физико-химическим методом состоит из следующих этапов:

1. приготовление стандартных растворов разных концентраций (серия растворов);

2. количественная оценка (при помощи специального прибора) какого-либо физического свойства для всех приготовленных растворов;

3. построение калибровочного графика в координатах состав – свойство. Обычно на оси абсцисс откладывают концентрацию вещества, а на оси ординат – значение измеряемого свойства;

4. определение количественных характеристик свойства при помощи прибора;

5. определение по калибровочному графику концентрации исследуемого вещества.

Оптические (спектральные) методы анализа

Суть метода основывается на взаимодействии вещества со средой, а в качестве среды имеют электромагнитные волны оптического диапазона. В результате взаимодействия происходит изменение свойств веществ, вступивших в реакцию.

Оптические (спектральные) методы анализа базируются на использовании разных явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения (изучении спектров поглощения, излучения и рассеивания).

Оптический спектрсодержит ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области.

При взаимодействии вещества с электромагнитными волнами можно зафиксировать такие изменения.

1. Поглощение света веществом, поглощать свет могут молекулы и ионы (фотометрический анализ):

 колориметрия;

 фотоколориметрия;

 спектрофотометрия (используется весь диапазон) – получают спектр вещества.

Совокупность методов молекулярно-абсорбционного спектрального анализа, основанных на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой, ИК и УФ областях молекулами определяемого компонента или его соединений с подходящим реагентом.

2. Поглощение света атомами вещества – атомно-абсорбционный метод:

3. Излучение веществ, находящихся в состоянии плазмы (высокая температура):

¯ эмиссионный метод;

¯ флюорометрия;

¯ люминесцентный метод.

4. Излучение отдельных атомов, когда вещество переходит в состояние плазмы (800 – 50000С):

© эмиссионный спектральный анализ;

© плазменная фотометрия.

Важной характеристикой любого метода является предел чувствительности (предел обнаружения вещества в граммах).

ü При фотометрии ‑ 1·10-6 г;

ü При флюорометрии (люминесцентные методы) ‑ 1·10-10 г;

ü При полярографии ‑ 1·10-8 г;

ü При эмиссионном спектральном анализе ‑ 1·10-10 г;

Основой фотометрического метода анализа является избирательное поглощение света частицами (молекулами или ионами) вещества в растворе.

Фотометрический анализ включает визуальную колориметрию (колориметрию), спектрофотометрию и фотоколориметрию.

Характер поглощения зависит от природы вещества – на этом строится качественный анализ, а на зависимости светопоглощения от концентрации основывается количественный анализ веществ.

Колориметрические (фотометрические) методы анализа базируются на реакциях, сопровождающихся образованием растворимых соединений (иногда разрушением окрашенных соединений).

Количественная оценка поглощения света измеряется светопоглощением (А), светопропусканием (Т) и оптической плотностью (D).

Основные оптические характеристики окрашенного раствора:окраскаиинтенсивностьэтойокраски.

Окраска любого раствора характеризуется спектром поглощения. О количестве исследуемого компонента судят по интенсивности окрашивания раствора (чем интенсивнее окраска, тем больше концентрация элемента в растворе).

За меру интенсивности окраски принимают оптическую плотность D.

lg ‑ оптическая плотность – характеризует степень ослабления (поглощения) света при прохождении его через раствор.

Растворы одного и того же окрашенного вещества при одинаковой концентрации вещества и толщине слоя раствора поглощают равное количество световой энергии (светопоглощение таких растворов одинаковое).

Если исследуемый раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера наблюдается прямая пропорциональная зависимость.

D=f(C) при постоянной толщине поглощающего слоя.

Интенсивность окраски связана с интенсивностью поглощения света.

Интенсивность поглощения света зависит от:

▪ концентрации окрашенного соединения в растворе;

▪ толщины поглощающего слоя.

lg =E L × C,где

І0 – интенсивность потока света, входящего в раствор;

Іt – интенсивность света, прошедшего через раствор;

L – толщина поглощающего света;

С – концентрация окрашенного соединения в растворе (моль/л);

Е – молярный коэффициент поглощения („Епсилон”).

Физическая суть Е: молярный коэффициент поглощения численно равен оптической плотности 1М раствора при толщине поглощающего слоя 1см. Характеризует внутренние свойства вещества и не зависит от объёма раствора, толщины слоя, интенсивности освещения; является наиболее важной характеристикой возможной чувствительности фотометрического определения.

D= Е × L × С

закон Бугера – Ламберта – Бера (основный закон светопоглощения).

Выполняется при условии: L >> λ; С – не очень большая.

Формулировка закона Бугера – Ламберта ‑ Бера: Оптическая плотность растворов пропорциональна произведению концентрацию окрашенного вещества и толщине поглощающего слоя.

Количественное определение вещества по светопоглощению основывается на использовании закона Бугера – Ламберта – Бера. Оптическую плотность исследуемого раствора измеряют с помощью фотоэлектроколориметра или спектрофотометра, а потом расчётным или графическим способом находят концентрацию. Последние две операции на современных приборах выполняют компьютеры.

В фотоколориметрии поглощение света измеряют в видимой области спектра, реже – в ближних УФ и ИК областях (т.е. в интервале длин волн от 315 – 980 нм), для выделения нужного участка спектра (шириной 10…100нм) используют узкополосные светофильтры. Приборами служат фотоэлектроколориметры (ФЭК, КФК).

Измеряемый диапазон оптической плотности составляет от 0,05 до 3,0, что позволяет определять многие элементы и их соединения в широком интервале содержаний от 10-6 до 50% по массе.

Спектрофотомерия базируется на основе измерения поглощения монохроматического излучения УФ, видимой и ИК области спектра. Такие измерения проводят с помощью спектрофотометров. Спектрофотометры имеют более сложную конструкцию и часто – электронные устройства (усилители фототока, дисплее).

Каждый спектральный прибор включает:

1. источник излучения;

2. фокусирующее устройство;

3. устройство для выделения необходимого интервала длин волн (монохроматор или светофильтр);

Светофильтры – стёкла, способные пропускать свет лишь определённой длины волны. При этом другой свет ими поглощается.

4. кюветное отделение;

Кюветы – посуда прямоугольной формы для спектрофотометрических исследований. Кюветы бывают: стеклянные – для исследований растворов в видимой области спектра (350 – 700нм), кварцевые – для диапазона ультрафиолетового и видимого спектров (200 – 700 нм).

При работе с инфракрасными лучами (700 нм и больше) используют кюветы со стенками из плавленого хлорида серебра или вместо растворов используют таблетки из этих веществ с бромидом калия. Кюветы бывают прямоугольные, термостатированные, проточные, цилиндрические.

Кювета с исследуемым раствором называется рабочая кювета, а кювета с раствором сравнения – кювета сравнения; обе кюветы должны быть идентичными.

Основное требование к кюветам – прозрачность в области спектра, в котором проводится измерение оптической плотности. Для работы в видимой области спектра кюветы изготавливают из стекла, а в ультрафиолетовой – из кремния.

5. детектор, преобразователь сигнала;

6. индикатор сигнала (шкала или компьютерный дисплей).

В фотоэлектроколориметрии степень поглощения света (интенсивность окраски раствора) определяют с помощью фотоэлемента.

Фотоэлемент ‑ металлическая пластинка, покрытая слоем полупроводника (селен, сульфид свинца).

Световой поток после попадания на фотоэлемент, возбуждает в нём электрический ток. Величина возникшего фототока прямо пропорциональна падающему световому потоку (закон Столетова). Возникший электрический ток регистрируется включением в цепь чувствительным микроамперметром, отклонение стрелки которого прямо пропорционально освещённости фотоэлемента.

В зависимости от количества фотоэлементов, используемых при измерении, различают:

1. фотоэлектроколориметры с одним фотоэлементом (однолучевые приборы);

2. фотоэлектроколориметры с двумя фотоэлементами (двулучевые приборы). Чаще всего используют ФЕК-М; ФЕК-56М; ФЕК-Н-57, МКФМ-02.

Этапы колориметрического (фотоэлектроколориметрического) определения

І этап. Исследуемый компонент с помощью химической реакции переводят в окрашенное соединение:

X + R → П

где Х – исследуемый компонент; R – реагент; П – продукт (окрашенное соединение).

ІІ этап. Измеряют интенсивность окрашивания раствора

Окрашивание исследуемого раствора сравнивают с окрашиванием стандартного раствора (с точно определённой концентрацией исследуемого компонента).

В зависимости от способа измерения интенсивности окраски методы:

Визуальные методы;

Инструментальные методы.

Визуальные методы

Визуальная колориметрия (стараются достичь одинаковой интенсивности окрашивания исследуемого и стандартного растворов, сравнение происходит визуально).

Преимущества: простота, быстрота выполнения.

Недостатки:

ü относительная ошибка определений – от 2 до 10%;

ü точность определений зависит от индивидуальной способности улавливать разницу в интенсивностях окраски.

Условия сравнения интенсивности окраски:

³ реактивы добавляют в одинаковой последовательности и количествах;

³ если в исследуемом растворе содержатся посторонние ионы, влияющие на окраску, то к стандартному раствору добавляют эти ионы и в тех же количествах;

³ окраску растворов сравнивают в одинаковых посудах.

Методы визуальной колориметрии:

þ Метод стандартных серий(готовят колориметрическую шкалу ‑ ряд растворов с известной концентрацией исследуемого вещества).

Сравнивают окрашивание исследуемого раствора с окрашиванием серии стандартных растворов (концентрация исследуемого раствора равна концентрации стандартного раствора одинаковой интенсивности окраски).

Используют при массовых анализах растворов, если окраска растворов устойчивая во времени.

þ Метод колориметрического титрования(проводят в 2-х цилиндрах)

І цилиндр: Исследуемый раствор + реактивы → окрашенный раствор.

ІІ цилиндр: Н2О + реактивы + стандартный раствор из бюретки → окрашенный раствор.

m(вещества) =

Основное требование: мгновенное появление окраски.

þ Метод разбавления(готовят 1 стандартный раствор)

Сравнивают интенсивность окраски исследуемого и стандартного растворов способом разбавления водой раствора с более интенсивной окраской. Используют градуированные цилиндры.

,

где hх – та hстанд. ‑ высота жидкости в исследуемом и стандартном растворах после разбавления.

Применяют для растворов близких по интенсивностям окраски.

Источник: https://megaobuchalka.ru/8/16234.html

Спектральный анализ в оптике

Спектральный анализ в оптике

Определение 1

Спектральным анализом называют метод определения состава вещества в зависимости от его спектра. Этот метод был предложен в XIX веке Бунзеном и Кирхгофом. Этот метод базируется на том, что:

  • Атомные спектры разных химических элементов не похожи друг на друга.
  • Линейчатые спектры не связаны с тем, каким способом атомы вещества приходят в возбуждение. Они зависят только от свойств атомов.
  • Используя спектральный анализ, есть возможность найти элемент в составе сложного вещества, если его масса весьма мала (порядка ${10}{-10}г$).
  • В настоящее время существуют таблицы спектров, которые включают спектры всех известных на сегодняшний момент атомов.

Спектр излучения молекул состоит из широких размытых полос, не имеющих четких границ. Такие спектры называют полосатыми. Спектр излучения атома имеет отличающийся вид. Он образован отдельными, четкими линиями. Спектры атомов называют линейчатыми.

Для любого атома имеется определенный линейчатый спектр. В свою очередь линии в спектрах расположение линий в спектрах является закономерным. Первые удачные шаги в подборе формул, которые бы правильно описали расположение спектральных линий, сделал Бальмер.

Он исследовал спектр атома водорода.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Спектральный анализ находит применение для:

  1. Исследования составов веществ, поиска новых элементов.

  2. Определения состава небесных тел.

  3. Контроля над составом веществ в различных отраслях промышленного производства.

  4. Определения состава руд и минералов в геологии.

  5. Исследуя спектры, в астрофизике вычисляют температуры небесных светил, скорости их перемещения, давление и т.д.

Спектральные приборы и их характеристики

К спектральным аппаратам относят приборы, которые позволяют определять длины волн или их разницу двух близких спектральных линий (дифракционная решетка, эшелон Майкельсона и т.д). Характеризуют подобные устройства с помощью следующих физических величин.

  1. Дисперсия спектрального аппарата ($D$). Как правило, положение линии спектра задают углом, относительно нормали к фронту волны после ее дисперсии. Потому дисперсию определяют как угловое расстояние между направлениями для двух спектральных линий, которые отличаются на $1$ ангстрем относительно длины волны:

    \[D=\frac{\delta \varphi }{\delta \lambda }\left(1\right),\]

    где $\delta \lambda $ — разница длин волн соседних линий спектра, $\delta \varphi $ — разница в углах. В выражении (1) имеется в виду угловая дисперсия. Тогда как линейная дисперсия ($D'$) определена как:

    \[D'=\frac{\delta s}{\delta \lambda }=fD\left(2\right),\]

    где $\delta s=f\delta \varphi$ — линейное расстояние между линиями спектра, $f$ — фокусное расстояние линзы, которая проецирует спектр на экран.

  2. Разрешающая способность спектрального прибора. Имеющаяся дисперсия не обеспечивает возможности раздельного наблюдения двух близких спектральных линий (${\lambda }_1\ и\ {\lambda }_2$).

    В любом приборе переход от максимума данной длины волны к минимуму идет постепенно, что зависит от устройства аппарата.

    Для того, чтобы спектральный прибор мог разрешить две длины волны (установить существование спектральных линий двух длин волн) надо чтобы при заданном расстоянии между максимумами рисунок исследуемых линий был четким.

    Возможность различия таких максимумов в этом случае зависит от чувствительности к контрасту метода, который применяют для исследования интенсивности по спектру. Рэлей предложил считать разрешение полным, если максимум первого «горба» совпадает с минимумом второго «горба».

    Мерой разрешающей способности ($R$) спектрального аппарата считают отношение длины волны ($\lambda $) около которой идет измерение к минимальному интервалу ($\delta \lambda $), который может прибор различить:

    \[R=\frac{\lambda }{\delta \lambda }\left(3\right).\]

    Так, для дифракционной решетки имеем:

    \[R_{max}=m_{max}N=\frac{Nd}{\lambda }\ \left(4\right),\]

    где $N$ — число штрихов, $Nd$- общая ширина решетки.

  3. Область дисперсии ($G$). Так как в действительности на практике имеют дело с немонохроматическим светом, а некоторым спектральным участком (от $\lambda $ до $\lambda +\triangle \lambda $), присутствие подобного состава длин волн вносит существенные проблемы при работе спектральных аппаратов.

    Особенно тех, в которых исследуются спектры высоких порядков, которые могут взаимно перекрывать друг друга. Так, у каждого прибора имеется предельная ширина спектрального интервала $\triangle \lambda $, при которой имеется возможность получить дискретные максимумы и минимумы. Этот интервал и называется дисперсионной областью.

    Для дифракционной решетки имеем:

    \[G=\triangle \lambda =\frac{\lambda }{m}\left(5\right).\]

Так, дифракционная решетка имеет разрешающую способность близкую к разрешающей способности неплохих интерференционных спектроскопов, но более применима.

С помощью спектрального аппарата сложный волновой импульс разлагается в спектр, что означает, что установление распределения энергии, которая сосредоточена в этом импульсе по разным частотам.

Но при этом характер распределения энергии по частотам для разных приборов различен.

Получается, что результат излучения импульса спектральным прибором зависит от свойств импульса и от свойств спектрального прибора.

Пример 1

Задание: Имеются две дифракционные решетки длины $l=10\ мм$ с разными периодами: $d_1=2\ мкм$ и $d_1=4\ мкм.$ Каково отношение разрешающих способностей этих решеток для длины волны равной $644$ нм?

Решение:

В качестве основы для решения задачи примем условие максимумов для дифракционной решетки:

\[dsin\varphi =m\lambda ,\ где\ m-целые\ числа\ \left(1.1\right).\]

Учтем, что ${\left(sin\varphi \right)}_{max}=1$, тогда дифракционные порядки для данных двух решеток могут быть вычислены в соответствии с формулами:

\[m_1=\frac{d_1}{\lambda },m_2=\frac{d_2}{\lambda }\left(1.2\right).\]

Для того чтобы использовать выражение для вычисления разрешающей способности дифракционной решетки:

\[R_{max}=m_{max}N\left(1.3\right).\]

Следует найти число штрихов решеток как:

\[N_1=\frac{l}{d_1},\ N_2=\frac{l}{d_2}\left(1.4\right).\]

Из выражений (1.3) и (1.4) следует, что:

\[R_{max1}=\frac{d_1}{\lambda }\frac{l}{d_1}=\frac{l}{\lambda }\left(1.5\right).\]

Ответ: Не проводя вычислений можно сказать, что $R_{max1}=R_{max2}.$

Пример 2

Задание: Чему равна угловая дисперсия для угла дифракции $\varphi =30\circ $ для спектра третьего порядка (m=3), если дифракционная решетка имеет $N=1000$ штрихов и постоянную $d={10}{-5}м$.

Решение:

За основу решения задачи примем определение дисперсии спектрального прибора:

\[D=\frac{\delta \varphi }{\delta \lambda }\left(2.1\right).\]

Расстояние между максимумами для дифракционной решетки имеет вид:

\[dsin\varphi =m\lambda ,\ где\ m-целые\ числа\ \left(2.2\right).\]

Продифференцируем выражение (2.2), получим:

\[dcos\varphi \delta \varphi =m\delta \lambda \to D=\frac{\delta \varphi }{\delta \lambda }=\frac{m}{dcos\varphi }\left(2.3\right).\]

Проведем вычисления:

\[D=\frac{3}{{10}{-5}cos30\circ }=3,4\cdot {10}5\left(\frac{рад}{м}\right).\]

Ответ: $D=3,4\cdot {10}5\frac{рад}{м}$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/spektralnyy_analiz_v_optike/

Спектр излучения молекул и атомов

Определение 2

Спектр излучения молекул представляет собой широкие размытые полосы, не обладающие четкими границами. Подобные спектры определяются как полосатые. Спектр излучения атома имеет совсем другой вид и состоит из отдельных четких линий. Спектры атомов называются линейчатыми.

Для каждого атома имеется некоторый линейчатый спектр. В свою очередь расположение линий в спектрах является закономерным. Первые удачные шаги в выражении формул, которые бы могли быть справедливыми для расположения спектральных линий, сделал Бальмер. Им был исследован спектр атома водорода. Спектральный анализ находит свое применение применение в:

  1. Исследовании составов веществ и поиске новых элементов.
  2. Определении состава небесных тел.
  3. Контролировании состава веществ во множестве отраслей промышленного производства.
  4. Определение состава руд и минералов в геологии.
  5. В астрофизике исследование спектров позволяет вычислить множество параметров небесных светил, таких как их температура, скорости перемещения давление и многие другие.

Спектральные приборы и их основные характеристики

Определение 3

Приборами для спектрального анализа называют такие устройства, использование которых дает возможность находить длины волн, или их разницы, двух близких спектральных линий (дифракционная решетка, эшелон Майкельсона и так далее).

Приведенные приборы обычно характеризуют с помощью следующего списка физических величин.

Дисперсия спектрального аппарата

В большинстве случаев, положение линии спектра предопределяется углом по отношению к перпендикуляру к фронту волны после ее дисперсии. Поэтому будет справедливым заявить, что дисперсия представляет собой угловое расстояние между направлениями для двух спектральных линий, отличающихся на 1 ангстрем относительно длины волны:

D=δφδλ,

где δλ является разницей длин волн соседних линий спектра, а δφ – разницей в углах. В приведенном выше отношении имеется в виду угловая дисперсия. В свою очередь линейная дисперсия (D′) может быть определена в виде следующего выражения:

D'=δsδλ=fD,

где δs=fδφ представляет собой линейное расстояние между линиями спектра, f – фокусное расстояние проецирующей на экран спектр линзы.

Разрешающая способность спектрального прибора

Имеющаяся дисперсия не предоставляет возможности раздельного наблюдения пары близких спектральных линий λ1 и λ2. В каждом приборе процесс перехода от максимума данной длины волны к минимуму происходит постепенно, что определяется устройством аппарата.

Для того, чтобы спектральный прибор мог разрешить две длины волны (установить существование спектральных линий двух длин волн) необходимо, чтобы при имеющемся расстоянии между максимумами рисунок исследуемых линий оставался четким.

Возможность различия подобных максимумов в данном случае основывается на чувствительности к контрасту применяемого для исследования интенсивности по спектру метода. Рэлеем было выдвинуто предложение признавать разрешение полным в случае, если максимум первого «горба» совпадает с минимумом второго «горба».

В качестве меры разрешающей способности (R) спектрального аппарата принимают отношение длины волны (λ), около которой происходит измерение, к минимальному возможному для определения прибором интервалу (δλ), то есть:

R=λδλ.

Таким образом, для дифракционной решетки справедливо следующее выражение:

Rmax=mmaxN=Ndλ,

где N представляет собой число штрихов, Nd — общую ширину решетки.

Область дисперсии

По той причине, что в действительности обычно мы имеем дело с не монохроматическим светом, а определенным спектральным участком (от λ до λ+∆λ), присутствие такого состава длин волн приносит существенные сложности при работе спектральных аппаратов. Особенно сильно осложняется работа тех устройств, в которых исследуются спектры высоких порядков, обладающие возможностью взаимно перекрывать друг друга.

Определение 4

Таким образом, у любого прибора есть некоторая предельная ширина спектрального интервала ∆λ, при которой имеется возможность определить дискретные максимумы и минимумы. Такой интервал носит название дисперсионной области.

В отношении дифракционной решетки будет справедливой следующая запись:

G=∆λ=λm.

Выходит, что дифракционная решетка обладает близкой к разрешающей способности хороших интерференционных спектроскопов разрешающую способность, однако при этом более применима.

С помощью спектрального аппарата сложный волновой импульс разлагается в спектр, другими словами, распределение энергии, которая сосредоточена в этом импульсе по разным частотам, устанавливается. Однако при этом характер распределения энергии по частотам для различных приборов разнится.

Выходит, что результат излучения импульса спектральным прибором определяется свойствами импульса и свойствами спектрального прибора.

Пример 1

Существуют две дифракционные решетки длины l=10 мм, обладающие разными периодами: d1=2 мкм и d1=4 мкм. Каково отношение разрешающих способностей приведенных решеток для длины волны эквивалентной 644 нм?

Решение

В качестве основы для решения задачи примем условие максимумов для дифракционной решетки:

dsin φ=mλ,

где m представляет собой любое целое число.

Примем, что Rmax=mmaxN,

в таком случае дифракционные порядки для таких двух решеток могут быть найдены в соответствии со следующими формулами:

m1=d1λ, m2=d2λ.

Для того, чтобы применить выражение для вычисления разрешающей способности дифракционной решетки, должно быть верным условие:

Rmax=mmaxN.

Следует найти число штрихов решеток как:

N1=ld1, N2=ld2.

Из выражений Rmax=mmaxN и N1=ld1, N2=ld2 следует, что: Rmax1=d1λld1=lλ.

Ответ: Не проводя вычислений можно заявить, что Rmax1=Rmax2

Пример 2

Чему равна угловая дисперсия для угла дифракции φ=30° для спектра третьего порядка (m=3), если дифракционная решетка имеет N=1000 штрихов и постоянную d=10-5 м.

Решение

За основу решения задачи примем определение дисперсии спектрального прибора: D=δφδλ.

Расстояние между максимумами для дифракционной решетки имеет вид:

dsin φ=mλ, где m − целые числа. Продифференцировав приведенное выражение, получим:

dcosφ δφ=mδλ→D=δφδλ=mdcos φ.

Проведем вычисления:

D=310-5cos 30°=3,4·105 радм.

Ответ: D==3,4·105 радм.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/volnovaja-optika/spektralnyj-analiz-v-optike/

Спектральные и оптические методы анализа

Спектральный анализ в оптике

Лекция 2-3. Инструментальные методы анализа

Инструментальные методы анализа основаны на использовании зависимости физических свойств веществ от их химического состава.

При использовании физико-химических и физических методах анализа для получения информации о химическом составе вещества исследуемый образец подвергают воздействию какого-либо вида энергии или исследуют естественные физические характеристики объекта.

В зависимости от вида энергии в веществе происходит изменение энергетического состояния составляющих его химических компонентов: молекул, ионов, атомов. Это выражается изменением определенных физических свойств веществ: оптических, магнитных, электрических т.д.

Регистрируя изменение этих свойств в виде аналитического сигнала, получают информацию о качественном и количественном составе исследуемого объекта или о его структуре.

По виду физического явления и измеряемого аналитического сигнала при анализе растениеводческой продукции получили распространение следующие группы методов инструментального анализа.

1. Спектральные и оптические методы.

2. Электрохимические методы.

3. Хроматография.

Спектральные и оптические методы анализа

Среди современных методов физико-химических анализов большое распространение получили спектроскопия и спектрометрия. Спектральный анализ – это группа методов качественного и количественного определения состава веществ, основанных на исследовании поведения электромагнитного излучения определенного спектра.

Спектральные методы дают широкие возможности для наблюдения и исследования в различных диапазонах электромагнитного спектра: рентгеновское излучение; ультрафиолетовое (УФ) излучение; видимый свет; инфракрасное (ИК). Электромагнитное излучение в определенных диапазонах спектра имеет различную энергию.

Это учитывается при исследованиях различных веществ и конструкционных особенностях приборов. Для исследования свойств растениеводческой продукции наибольший интерес представляют области спектра излучения: ультрафиолетовая (200-400 нм) с кварцевой оптикой; видимая (400-800 нм) со стеклянной оптикой; инфракрасная (2-15 мкм).

Конструкционная особенность приборов основывается на следующих оптических явлениях:

· испускания (эмиссии);

· поглощения (абсорбции);

· рассеивания;

· люминесценции.

Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, задачи которых состоят в определении соответственно элементного и молекулярного состава вещества.

Эмиссионная спектрометрия исследует особенности испускания электромагнитного излучения определенными веществами (атомами или молекулами). Испускание световой энергии вызвано с предварительным энергетическим возбуждением атомов и молекул.

Так в атомно-эмиссионной фотометрии при поглощении дополнительной энергии электроны с основного уровня переходят на более высокий энергетический уровень.

В молекулярно-эмиссионной спектроскопии испускание электромагнитного излучения связано с получением дополнительной энергии молекулами в результате химических реакций (молекулярно-люминесцентная спектроскопия) или внешнего излучения (молекулярно-флуоресцентная спектроскопия).

Абсорбционная спектроскопия и спектрометрия исследует поглощательную способность исследуемых объектов.

При этом анализируемую пробу помещают между источником электромагнитного излучения, пропущенного через монохроматор, и детектором излучения.

Таким образом, прибор-спектрометр измеряет интенсивность света, прошедшего через пробу (I), в сравнении с источником первоначального излучения (I0).

Отношение I/I0 называют пропусканием (Т). Его значения могут изменяться от 0 до 1. Часто эту величину выражают в процентах. Если ве­личина Т отнесена к толщине слоя в 1 см, то ее называют коэффициентом пропускания.

Поглощение излучения характеризуют оптической плотностью:

А = Ig(I/I0) = – Ig Т.

Связь между концентрацией поглощающего раствора и его оптической плотностью Ig(I/I0) выражается законом Бера, согласно которому оптическая плотность раствора прямо про­порциональна концентрации растворенного вещества при по­стоянной толщине слоя:

А= k · С

где: k – коэффициент пропорциональности;

С – концентрация раство­ренного вещества.

Связь между интенсивностями световых потоков I и I0 определяется законом Бугера – Ламберта, согласно ко­торому однородные слои одного и того же вещества одинако­вой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии при постоянной концентрации растворенного вещества. Математически этот закон выражается уравнением экспоненциальной зависимости:

I=I0· e–a·l

где: е – основание натуральных логарифмов; 

а – коэффициент погло­щения;

l – толщина поглощающего слоя.

Зависимость интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от ин­тенсивности падающего потока света, концентрации окрашен­ного вещества и толщины слоя раствора определяется объеди­ненным законом Бугера – Ламберта – Бера, который является основным законом свотопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа:

I=I0· 10–k·C·l

где: k – коэффициент светопоглощения, зависящий от природы раство­ренного вещества, температуры, растворителя и длины волны света.

При соблюдении основного закона светопоглощения опти­ческая плотность раствора прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощения, концентрации поглощающего вещества и толщине слоя раствора:

А = k·С·l

Атомную спектрометрию широко применяют в количественном анализе. Она основана на поглощении или ис­пускании рентгеновского, видимого или УФ-излучения. Атомная спектрометрия подразделяется на два направления – атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная.

Атомно-эмиссионная спектрометрия основывается на переводе атомов в возбужденное состояние и последующая эмиссия (испускание) фотонов возбужденными атомами. Для активации атомов требуются высокие температуры. В зависимости от типа атомизатора выделяют следующие направления атомно-эмиссионной спектрометрии: дуговую, искровую, пламенную, рентгенофлуоресцентную.

Наиболее востребованным и используемым в производственной практике является пламенно-эмиссионная фотометрия.

Принцип метода состоит в сравнении интенсивности спектров испускания атомов, содержащихся в исследуемом растворе с интенсивно­стью спектров испускания этих атомов в растворах с известной концентрацией.

В качестве атомизатора используется горелка, работающая на окислителе (кислород или воздух) и восстановителе (метан, пропана, бутана, ацетилена или во­дорода).

Температура атомизатора 1800-2300 оС позволяет переводить в возбужденное состояние только щелочные и щелочноземельные металлы. В пламя горелки вводят с помощью распылителяанализируемый раствор в виде аэрозоля. В пламени горелки происходит быстрое испарение раствора, содержащиеся в нем соли диссоциируют под влиянием тепловой энергии пламени на свободные атомы, ионы.

Атомно-абсорбционная спектрометрия как метод количественного анализа основана на способности атомов металлов поглощать в пламени горелки световую энергию строго определенной длины волны, характерной для каждого отдельного элемента.

В отличие от эмиссионной пламенной фотометрии, где концентрация вещества в растворе определяется по интенсивности спектра излучения его атомов, в атомно-абсорбционной спектрометрии концентрацию элементов в растворе определяют по их абсорбции при прохождении монохроматического света через пламя с атомным паром исследуемого вещества.

Как и в пламенной фотометрии, исследуемый раствор вводят в пламя горелки. При этом интенсивность пучка света, проходящего через пламя, уменьшается вследствие абсорбции его возбужденными атомами.

Метод атомной спектрометрии позволяют определить около 70 различных элементов. Они широко используются для определения в растениеводческой продукции биогенных макроэлементов (калий, натрий, кальций); микроэлементов (медь, цинк, марганец и др.); токсичных элементов (кадмий, ртуть, свинец и др.). Методы пригодны для массовых анализов, обладают низким порогом обнаружения.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/20_115819_spektralnie-i-opticheskie-metodi-analiza.html

Практическое применение спектрального анализа

Спектральный анализ в оптике

Спектральный анализ широко используется в различных отраслях промышленности и науки, и служит универсальным инструментом, который позволяет точно и оперативно исследовать элементный состав вещества.

Эта информация необходима для правильного ведения технологических процессов, контроля качества исходных материалов, промежуточного и готового продуктов, а также позволяет создавать новые материалы с заданными качествами.

Современные спектральные приборы постоянно совершенствуются в соответствии с возрастающими требованиями к точности и чувствительности. В связи с разработкой и внедрением новых технологий создаются спектрометры, которые обеспечивают необходимую производительности и возможность автоматизации процесса анализа.

Понятие о спектральном анализе

Спектральный анализ — совокупность методов анализа химического состава веществ, в основе которого лежит исследование спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции. При этом используется основное свойство спектров: длина волны или частота — индивидуальный параметр, который соответствует только определенному атому исследуемого вещества, и не зависит от источника возбуждения.

Метод отличается высокой чувствительностью, точностью и простотой, что делает его универсальным, и обуславливает его широкое распространение в промышленности.

Виды спектрального анализа

В основе спектральных методов лежат такие процессы:

  • Абсорбция. При взаимодействии вещества с электромагнитным излучением происходит его частичное поглощение.
  • Люминесценция. При возбуждении частиц вещества под воздействием внешнего излучения происходит испускание излучения, имеющего другую частоту.
  • Эмиссия. При воздействии источника возбуждения вещество переходит в состояние плазмы и испускает излучение.
  • Рассеяние. Процесс происходит при падении электромагнитного излучение на исследуемый образец.

В зависимости от процесса, который находится в основе принципа действия, спектральные методы анализа подразделяются на следующие виды:

  • Абсорбционный.
  • Люминесцентный.
  • Эмиссионный.
  • Комбинационный.

Эмиссионный спектральный анализ

Наибольшее распространение получил оптический эмиссионный спектральный атомный анализ (ОЭСА). Этот мощный инструмент позволяет решать различные по сложности аналитические задачи.

Оптико-эмиссионные спектральные приборы обладают высокой избирательностью, позволяют исследовать различные вещества с высокой скоростью, чувствительностью и точностью. При этом расход анализируемого вещества крайне мал.

Преимущества ОЭСА:

  • возможность исследования химического состава образца в любом агрегатном состоянии;
  • подготовка пробы отличается простотой, а в некоторых случаях не требуется вовсе;
  • высокая скорость проведения анализа позволяет автоматизировать процесс;
  • анализ одного образца можно проводить многократно;
  • высокая точность результатов анализа и избирательность;
  • простота эксперимента и относительно невысокая стоимость;
  • возможность проведение исследований, как в полевых, так и лабораторных условиях.

Область применения

Атомный спектральный анализ находит широкое практическое применение по сравнению с другими методами спектрального анализа. Он используется для исследования самых разнообразных объектов, а при анализе металлов и сплавов значение ОЭСА трудно переоценить.

С помощью эмиссионной спектрометрии решаются целый ряд аналитических задач:

  • Исследование химического состава сплава при ведении плавки металла.
  • Анализ готовых изделий с целью определения марки, состава, примесей.
  • Контроль качества на всех стадиях производства.
  • Контроль качества исходного материала.
  • Экологический мониторинг состояния окружающей среды.
  • Изучение химического состава геологических объектов.

Экология

Перед экологами стоят разнообразные задачи, среди которых особое место занимают определение соединений, загрязняющих почву, атмосферу и водный бассейн. Экологический мониторинг необходим для предотвращения угрозы жизни и здоровью людей, и окружающей среде, поэтому точность и скорость получения результатов анализа — наиболее важные требования, предъявляемые к анализаторам.

Эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны исследовать не только металлические, но и токонепроводящие пробы. С их помощью можно исследовать вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях и формах. Диапазон спектральных линий охватывает все интересующие элементы, в том числе C, S, P, O, H и щелочно-земельные элементы.

Геология

Спектральный анализ дает возможность анализировать химический состав руд и минералов. С его помощью изучаются условия их образования, что позволяет целенаправленно проводить геологическую разведку для поиска новых месторождений.

Технология обогащения рудных и нерудных материалов требует тщательного контроля качества на всех стадиях процесса. Использование спектральных приборов делают это возможным, так как обеспечивается необходимая производительность и точность результатов анализа.

Кроме этого, спектральный анализ используется для изучения метеоритного материала. Это дает возможность сделать практические выводы о составе космических объектов.

Металлургия

Значение атомно-эмиссионного анализа в металлургической промышленности очень велико, так как этот метод дает ряд преимуществ. С помощью спектральных приборов решается большинство аналитических задач:

  • Определение марки стали.
  • Анализ углерода, серы и фосфора в сплаве.
  • Анализ неметаллических включений и примесей.
  • Анализ чистых металлов и сложных сплавов.
  • Сертификационный анализ.

Эмиссионные приборы широко используются для сортировки и анализа состава металлического лома, который служит сырьем для получения стали.

Спектральный анализ незаменим при ведении плавки, так как позволяет оперативно получить информацию о химическом составе сплава.

С его помощью решаются, как рутинные задачи, так и сложные проблемы, связанные с получением новых материалов с заданными свойствами.

Машиностроение

Исходными материалами металлообрабатывающих предприятий служат заготовки, полученные путем литья и в результате обработки металлов давлением (поковки и металлопрокат). Организовать входящий контроль без определения химического состава заготовок невозможно, а пренебрежение этим технологическим этапом может стать причиной неисправимого брака и экономическими потерями.

Атомно-эмиссионные спектрометры — оптимальный вариант приборов для машиностроения, которые дают возможность получать точную информацию о химическом составе материала или марке стали в кратчайшие сроки.

Портативные модели позволяют проводить исследования в полевых условиях, и не требуют наличия у оператора специальных знаний и особых умений, а стационарные приборы решают аналитические задачи любой сложности.

Возможности оптико-эмиссионных приборов не ограничиваются указанными выше областями промышленности, и позволяют использовать их во многих сферах жизнедеятельности человека. Конструкция и методы исследования постоянно совершенствуются, что позволяет им соответствовать уровню развития науки и технологии, и иметь оптимальные технико-экономические показатели.

Источник: https://www.iskroline.ru/analysis/primenenie-spektralnogo-analiza/

Booksm
Добавить комментарий