Спектральний аналіз

Спектральний аналіз - сукупність методів якісного і кількісного визначення складу об'єкта, заснована на вивченні спектрів взаємодії матерії з випромінюванням, включаючи спектри електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль, розподілу по масах і енергіям елементарних частинок і ін Залежно від цілей аналізу і типів спектрів виділяють кілька методів спектрального аналізу. Атомний і молекулярний спектральний аналізи дозволяють визначати елементний і молекулярний склад речовини, відповідно. В емісійному і абсорбційному методах склад визначається за спектрами випускання та поглинання. Мас-спектрометричний аналіз здійснюється за спектрами мас атомарних або молекулярних іонів і дозволяє визначати ізотопний склад об'єкта.

1. Історія

Фраунгоферові лінії

Темні лінії на спектральних смужках були помічені давно (наприклад, їх зазначив Волластон), але перше серйозне дослідження цих ліній було зроблено тільки в 1814 Йозефом Фраунгофера. У його честь ефект отримав назву " Фраунгоферові лінії ". Фраунгофер встановив стабільність положення ліній, склав їх таблицю (всього він нарахував 574 лінії), привласнив кожній буквено-цифровий код. Не менш важливим стало його висновок, що лінії не пов'язані ні з оптичним матеріалом, ні з земною атмосферою, але є природною характеристикою сонячного світла. Аналогічні лінії він виявив у штучних джерел світла, а також у спектрах Венери і Сіріуса.

Незабаром з'ясовувалося, що одна з найбільш виразних ліній завжди з'являється в присутності натрію. В 1859 Г. Кирхгоф і Р. Бунзен після серії експериментів уклали: кожен хімічний елемент має свій неповторний лінійчатий спектр, і по спектру небесних світил можна зробити висновки про склад їх речовини. З цього моменту в науці з'явився спектральний аналіз, потужний метод дистанційного визначення хімічного складу.

Для перевірки методу в 1868 Паризька академія наук організувала експедицію в Індію, де треба було повне сонячне затемнення. Там вчені виявили: всі темні лінії в момент затемнення, коли спектр випромінювання змінив спектр поглинання сонячної корони, стали, як і було передбачено, яскравими на темному тлі.

Природа кожної з ліній, їх зв'язок з хімічними елементами з'ясовувалися поступово. В 1860 Кирхгоф і Бунзен за допомогою спектрального аналізу відкрили цезій, а в 1861 - рубідій. А гелій був відкритий на Сонце на 27 років раніше, ніж на Землі ( 1868 і 1895 роки відповідно).

2. Принцип роботи

Атоми кожного хімічного елемента мають строго певні резонансні частоти, в результаті чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видно лінії (темні або світлі) в певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини та її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають зміст досліджуваної речовини за відносною або абсолютною интенсивностям ліній або смуг в спектрах.

Оптичний спектральний аналіз характеризується відносною простотою виконання, відсутністю складної підготовки проб до аналізу, незначною кількістю речовини (10-30 мг), необхідного для аналізу на велике число елементів. Атомарні спектри (поглинання або випускання) отримують переведенням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1000-10000 C. В якості джерел збудження атомів при емісійному аналізі струмопровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу поміщають в кратер одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я або плазму різних газів.

3. Застосування

Останнім часом, найбільше поширення отримали емісійні і мас-спектрометричні методи спектрального аналізу, засновані на порушенні атомів і їх іонізації в аргонової плазмі індукційних розрядів, а також в лазерної іскрі. Спектральний аналіз - чутливий метод і широко застосовується в аналітичній хімії, астрофізиці, металургії, машинобудуванні, геологічній розвідці та інших галузях науки.

В теорії обробки сигналів, спектральний аналіз також означає аналіз розподілу енергії сигналу (наприклад, звукового) по частотам, хвильовим числам і т. п.