Спектральні методи аналізу. Спектри, способи їх отримання,особливості, класифікація та використання для аналітичних цілей. Основніелементи спектральних приладів та їх призначення
Спектральні методи аналізу - це методи, засновані навизначенні хімічного складу і будови речовин по їх спектру.
Спектром речовини називають впорядковане по довжинах хвильелектромагнітне випромінювання, що випускається, що поглинається, що розсіюється абопереломлюються речовиною. Методи, засновані на отриманні та вивченні спектріввипускання (емісії) електромагнітного випромінювання (енергії), називаютьемісійними, поглинання (абсорбції) - абсорбцією, розсіювання - методамирозсіювання, заломлення - рефракційної.
Спектр речовини отримують, впливаючи на нього температурою,потоком електронів, світловим потоком (електромагнітної енергією) з певноюдовжиною хвилі (частоти випромінювання) і іншими способами. При певній величиніенергії впливу речовина здатна перейти у збуджений стан. Прицьому відбуваються процеси, що призводять до появи в спектрі випромінювання зпевною довжиною хвилі (табл.2.2.1).
Випромінювання, поглинання, розсіювання або рефракціяелектромагнітного випромінювання може розглядатися як аналітичний сигнал,несе інформацію про якісний і кількісний склад речовини або про йогоструктурі. Частота (довжина хвилі) випромінювання визначається складом досліджуваногоречовини, а інтенсивність випромінювання пропорційна числу частинок, що викликали йогопоява, тобто кількості речовини або компонента суміші.
Кожен з аналітичних методів зазвичай використовує не повнийспектр речовини, що охоплює діапазон довжин хвиль від рентгенівських випромінювань дорадіохвиль, а тільки певну його частину. Спектральні методи зазвичайрозрізняють по діапазону довжин хвиль спектру, що є робочим для даногометоду: ультрафіолетові (УФ), рентгенівські, інфрачервоні (ІЧ), мікрохвильовіі т.д.
Методи, що працюють в УФ, видимому та ІЧ діапазоні називаютьоптичними. Вони найбільше застосовуються в спектральних методах внаслідокпорівняльної простоти обладнання для отримання та реєстрації спектра.
Спектри оптичного діапазону є результатом зміниенергії атомів або молекулах.
Таблиця 2.2.1
Вид випромінювання
Атомні і молекулярні процеси
Джерела збудження
Детектори випромінювання
пЃ¬, нм
назву
10-3
пЃ§-випромінювання
Ядерні
циклотрон
Лічильники Гейгера,
10-2
Рентгенівське
реакції
сцінціляціонние лічильники, фотопластини
10-1
Переходи зовнішніх
Рентгенівські трубочки
100
електронів
101
УФ ваккумно
2.102
УФ далеке
Переходи зовнішніх електронів
Рентгенівські трубочки, іскра, полум'я, дуга
Фотоелементи, фотоматеріали
3.102
УФ ближнє
375-750
Видиме
Око, фотоелемент
104
ІК ближнє
Коливання молекул
Нагріті металеві нитки
Вакуумні термопари,
105
Дальнє
Обертання молекул
боллометри
В результаті зміни енергії атома або молекули вонипереходять з основного стану з мінімально можливою внутрішньою енергією Е0в збуджений стан з енергією Е1. Внутрішня енергія є величиноюдискретної (квантової), тому перехід атома або молекули з основногостану в інший завжди супроводжується стрибкоподібним зміною енергії, тобтоотриманням або віддачею порції (кванта) енергії.
квантів електромагнітного випромінювання є фотони,енергія яких пов'язана з частотою і довжиною хвилі випромінювання відомимспіввідношенням
пЃ„ Е = h В· пЃ®=,
де пЃ„ Е = Е1 - Е2, Е1 - енергія початкового, а Е2 - енергіякінцевого стану атома або молекули, між якими відбувається перехід; h - постійна Планка; с - швидкість світла; пЃ® - частота;пЃ¬ - довжина хвилі електромагнітного випромінювання.
При порушенні атома відбувається переміщення електронів ззовнішніх заповнених рівнів на незаповнені більш високі енергетичнірівні.
У збудженому стані атом не може довго перебувати. Вінпрагне віддати отриману надлишкову енергію і повернутися в збудженомустан. Через дуже короткий час (10-8 - 10-7с) атом мимовільноповертається із збудженого стану в основний або проміжне.
При переході електрона з верхнього рівня на нижнійвиділяється фотон - квант випромінювання з певними пЃ® і пЃ¬.
Схематично електронні переходи в атомах між різнимистанами, що супроводжуються випусканням і поглинанням квантівелектромагнітного випромінювання, можна представити у вигляді схеми (ріс.2.2.1).
Горизонтальними лініями на ріс.2.2.1. зображені рівніенергії різних станів атома. Рівень Е0 це рівень основного стану; Е1,Е2, Е3 - рівні збуджених станів в порядку зростання їх енергії. Вертикальністрілки відповідають випускання (стрілка вниз) або поглинанню (п‚) фотона.Очевидно, що
пЃ® 01 = пЃ® 10, пЃ® 13 = пЃ® 31 і т.д.
Сукупність фотонів, що випускаються або поглинаються при якому- Небудь одному електронному переході атома, що створює випромінювання з однією довжиноюхвилі, називається спектральною лінією. Довжина хвилі спектральної лінії можебути визначена зі співвідношення пЃ¬ =. Сукупність спектральних ліній,відносяться до певного атому (молекулі), утворює спектр даного атома(Молекули).
Спектр, обумовлений переходом при Е1 пЂѕ Е2,називається спектром випускання, а при Е1 пЂј Е2 - спектром поглинання. Переходиі відповідні спектральні лінії, що проходять з основного енергетичногорівня або на нього, називаються резонансними.
Для збудження спектральної лінії необхідна певнаенергія, звана потенціалом збудження. Якщо повідомити атому занадтовелику енергію, то може відбутися повне видалення електрона, тобто іонізаціяатома. Необхідна для цього енергія називається потенціалом іонізації. Резонанснілінії найяскравіші і характеризуються найменшим потенціалом збудження.
Зміна енергії молекули супроводжується зміною якенергії коливань і обертань, тобто у молекули немає чисто електронних переходів,а можливі тільки електронно-коливально-оберта...
