На чем основан качественный спектральный анализ? Какие приборы используют для проведения анализа?

		Химия
		Решение задачи
		18 февраля 2021
		Выполнен, номер заказа №16722
		Прошла проверку преподавателем МГУ
		245 руб.

На чем основан качественный спектральный анализ? Какие приборы используют для проведения анализа?

Ответ:

Спектральным анализом называется физический метод определения химического состава вещества, основанный на изучении спектра излучения или поглощения электромагнитных волн этим веществом. Различают качественный и количественный анализ. Задачей качественного спектрального анализа является установление всех химических элементов, из которых состоит исследуемый образец. Она решается путем измерения длин волн спектральных линий излучения вещества и отождествления их по таблицам с определенными химическими элементами. Спектральные приборы предназначены для анализа сложного излучения, непосредственно излучаемого различными телами или преобразованного в результате взаимодействия излучения с веществом. Спектральные приборы позволяют: a) разложить исследуемое излучение в спектр, т.е. расположить по длинам волн излучение, которое попадает на вход прибора; b) зафиксировать положение отдельных участков спектра или отдельных спектральных линий; c) измерить интенсивность какого-либо участка спектра или спектральной линии. По положению линий в спектре, т.е. по длинам волн, можно судить об уровнях энергии и внутреннем строении атомов и молекул, а по интенсивности линий – о вероятностях переходов между отдельными уровнями. Интенсивность спектральных линий определяется также числом излучающих атомов и молекул, что дает возможность определить содержание отдельных элементов и молекулярных соединений в исследуемом веществе. По форме контура спектральных линий можно сделать заключение о характере взаимодействия между частицами, о влиянии электрических и магнитных полей, а также о температуре, при которой происходит излучение. Таким образом, спектральные приборы исследуют излучение как сигнал, посылаемый в определенных условиях веществом и дающий информацию о его строении. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ. В обоих случаях анализ может проводиться по спектрам излучения и тогда он называется эмиссионным. Анализ по спектрам поглощения именуется абсорбционным. Спектры излучения атомов обычно получаются при высокой температуре источника света, при которой происходит испарение вещества, расщепление его молекул на отдельные атомы и возбуждение атомов. Спектральный прибор состоит из трех основных частей: осветительной, диспергирующей и приемно-регистрирующей (рисунок 1). Осветительная часть включает источник излучения и фокусирующую оптику, при помощи которой освещается узкая входная щель прибора. Спектральная часть состоит из входной щели, диспергирующей и фокусирующей систем. Рисунок 1. Оптическая схема призменного спектрального прибора: 1 - источник света – исследуемое вещество; 2 - конденсорная линза; 3 - узкая входная щель; 4 - коллимирующий объектив; 5 - призма – диспергирующий элемент; 6 - фокусирующий объектив; 7 - фокальная плоскость – плоскость формирования спектра излучения.  Диспергирующая система предназначена для пространственного разделения пучков света различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов используются призмы, дифракционные решетки, а также интерферометр ФабриПеро и другие приборы. Рассмотрим ход лучей в призменном спектральном приборе (рисунок 2). Рисунок 2. Ход лучей света двух разных длин волн через призму Пусть источник 1 излучает свет только двух длин волн Выйдя из коллиматора, параллельный пучок света падает на призму 5 под одним и тем же углом. Для света длины волны показатель преломления имеет значение n1. Поэтому параллельно падающие лучи света с одинаковой длиной волны одинаково преломляются на гранях призмы и выходят из нее снова параллельным пучком под некоторым углом к первоначальному направлению. Лучи другой длины волны также выйдут из призмы параллельным пучком, но в другом направлении, под углом Так призма осуществляет пространственное разделение световых пучков различных длин волн. Объектив камеры 6 собирает параллельные пучки света, выходящие из призмы, в своей фокальной плоскости 6. Так как лучи различных длин волн имеют после призмы различные направления, то в фокальной плоскости объектива камеры получается ряд параллельных, различно окрашенных изображений щели, образующих систему спектральных линий – спектр излучения источника (рисунок 3, а). 450 Рисунок 3. Система спектральных линий излучения ртути (а) и соответствующее распределение интенсивности света в спектре (б) В фокальной плоскости объектива (6) камеры получается спектр, доступный измерению данным прибором. Если с этой плоскостью совместить эмульсию фотопластинки и включить источник света, то после проявления на пластинке появится в виде темных линий сразу весь участок спектра. Приборы подобного типа именуются спектрографами. Можно поступить иначе: на пересечении оптической оси прибора с фокальной плоскостью объектива установить вторую щель (выходную), параллельную входной. Выходная щель при соответствующей ширине вырежет из всего спектра только одну спектральную линию. Такие приборы называют монохроматорами. С их помощью также можно изучить весь спектр, но для этого необходимо поворачивать диспергирующий элемент. Тогда через выходную щель последовательно пройдут все линии спектра. Если теперь поставить за щелью фотоприемник с усилителем (например, фотодиод или фотоэлектронный умножитель), а призму вращать автоматически, то можно записать весь спектр в виде максимумов интенсивности фотосигнала, расположенных в определенном порядке (рисунок 3, б). 451 В последнее время в качестве фоторегистратора используются специальные матрицы и линейки фоточувствительных элементов (ПЗС–матрицы и ПЗС–линейки; ПЗС – прибор с зарядовой связью) формирующие сигнал в телевизионном формате. В сочетании со специальной платой ввода изображений и компьютером такие устройства позволяют получать в цифровом виде информацию о распределении интенсивности в спектре излучения. Фотоэлектрическая запись спектра имеет то преимущество, что на графике одновременно регистрируются длины волн, относительные интенсивности и форма спектральных линий. В простейшем случае за фокальной плоскостью объектива можно поставить окуляр зрительной трубы и наблюдать спектр визуально. Приборы такого типа называются спектроскопами.