Спектральний аналіз

Розкладення тригранною скляною призмою потоку білого світла на різнокольоровий спектр

Спектр видимого випромінювання флуорисцентної лампи. З піками 4 — тербію (Tb); 5 — ртуті (Hg); 12 — европію (Eu).

Спектра́льний ана́ліз — сукупність методів визначення складу (наприклад, хімічного) об'єкта, заснований на вивченні спектрів взаємодії речовини з випромінюванням: спектри електромагнітного випромінювання, радіації, акустичних хвиль, розподілу за масою та енергією елементарних частинок та інше.

Загальний опис

Спектральний аналіз ґрунтується на явищі дисперсії світла. Традиційно розмежовують:

• атомарний та молекулярний спектральний аналіз,
• «емісійний» — за спектром випромінення та «абсорбційний» — за спектром поглинання,
• «мас-спектрометричний» — за спектром мас атомарних чи молекулярних іонів.

Спектральний аналіз оснований на використанні спектрів електромагнітного випромінювання, поглинання, відбиття або люменісценції. Залежно від визначення атомного або молекулярного складу розрізняють атомний і молекулярний спектральний аналіз, які в свою чергу підрозділяються на якісний і кількісний. Якісний аналіз проводиться шляхом порівняння спектру зразка із спектром відомих речовин. Кількісний аналіз оснований на вимірі інтенсивності випромінювань (довжині хвиль поглинання, відбиття і т.д.), що належать атомам і молекулам, які аналізуються, і наступним розрахунком концентрацій за їхніми значеннями. Спектральний аналіз застосовується на всіх стадіях геологорозвідувальних робіт, при дослідженні родовищ корисних копалин, при мінералогічних дослідженнях для визначення більше 70 елементів при вмісті від 10^-6 до 10 % з можливістю одночасного визначення до 40 елементів у кожної пробі.

Принцип дії

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

Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на бічну грань тригранної призми, то, по-різному заломлюючись у склі, промені, з яких складається біле світло, дадуть на екрані райдужну смужку, що називається спектром. У спектрі всі кольори розміщені завжди в певному порядку. Світло поширюється у вигляді електромагнітних хвиль.

Кожному кольору відповідає певна довжина електромагнітної хвилі. Довжина хвилі світла зменшується від червоних променів до фіолетових приблизно від 0,7 до 0,4 мкм. За фіолетовими променями у спектрі лежать ультрафіолетові промені, які невидимі для ока, але діють на фотопластинку. Ще меншу довжину хвилі мають рентгенівські промені. За червоними променями знаходиться область інфрачервоних променів. Вони невидимі, але сприймаються приймачами інфрачервоного випромінювання, наприклад спеціальними фотопластинками.

Оптичний спектральний аналіз характеризується відносною простотою виконання, відсутністю складної підготовки проб до аналізу, незначною кількістю речовини (10—30 мг), необхідної для аналізу на велике число елементів. Атомарні спектри (поглинання або випуску) одержують переведенням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1 000—10 000 °C. Як джерела збудження атомів при емісійному аналізі електропровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу розміщають у кратері одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я або плазму різних газів.

Історія

Ідентифікація хімічних елементів за оптичними спектрами атомів була запропонована у 1859 році Г. Кірхгофом та Бунзеном. За допомогою спектрального аналізу гелій (He) був відкритий на Сонці раніше ніж на Землі. Але ще у 1854 році доктор Девід Альтер (англ. David Alter), науковець з міста Фріпорт, штату Пенсильванія (США) надрукував наукову працю, що описувала спектральні властивості 12 металів.

Різновиди

Розрізнюють атомний і молекулярний, а також якісний і кількісний спектральний аналіз. Атомний спектральний аналіз здійснюють за оптичними і рентгенівськими (пулюєвими) спектрами. Для молекулярного спектрального аналізу використовують молекулярні спектри поглинання в інфрачервоній, видимій та ультрафіолетовій областях спектру. Серед методів спектрального аналізу – атомно-абсорбційний аналіз, атомно-флуоресцентний аналіз, лазерний спектральний аналіз, метод рентгенівської (пулюєвої) флуоресценції, атомний емісійний та інші.

Спектральний аналіз широко застосовують в ряді галузей, зокрема металургії, геології, при розробці технологій збагачення корисних копалин тощо. В гірничій справі і геології – для встановлення хімічного складу гірських порід, руд, мінералів, технологічних проб у процесі їхнього збагачення і переробки, в геохімічних дослідженнях. Наприклад, атомний емісійний спектральний аналіз застосовується на всіх стадіях пошукових і розвідувальних робіт, при вивченні родовищ, в мінералогічних дослідженнях для визначення понад 70 елементів при їхньому вмісті в речовині від 10^-4-10^-5% до десятків % з можливістю одночасного визначення в кожній пробі до 40 елементів. Рентгенівська флуоресценція використовується для визначення елементів (з атомним номером понад 10) при концентраціях від 10^-4% до десятків %. За спектрами люмінесценції заморожених розчинів досліджуваної речовини вдається визначити ароматичні сполуки з межами реєстрації 10^-6%. У геології нафт при вивченні їхнього складу, дослідженні мінералів і шліфів ефективно застосовується молекулярний спектральний аналіз.

Застосування

В астрономії

Найважливішим джерелом інформації про більшість космічних об'єктів є їхнє випромінювання. Дістати найцінніші й найрізноманітніші відомості про тіла дає змогу спектральний аналіз їхнього випромінювання. За допомогою цього методу можна встановити якісний і кількісний хімічний склад світила, його температуру, наявність магнітного поля, швидкість руху та багато іншого.

Для одержання спектрів застосовують спектроскоп та спектрограф. У першому спектр розглядають, а у другому його фотографують. Спектрограма — фотографія спектра.

Існують такі види спектрів земних джерел і небесних тіл:

• Суцільний, або неперервний спектр у вигляді райдужної смужки дають непрозорі розжарені тіла (вугілля, нитка електролампи) і досить протяжні густі маси газів.

• Лінійчастий спектр випромінювання дають розріджені гази й пара при сильному нагріванні. Кожний газ випромінює світло строго визначених довжин хвиль і дає характерний для даного хімічного елемента лінійчастий спектр. Значні зміни стану газу або умов його світіння, наприклад нагрівання чи іонізація, спричиняють певні зміни в спектрі цього газу. Складено таблиці, в яких перелічуються лінії кожного газу й зазначається яскравість кожної лінії. Наприклад, у спектрі пари натрію (Na) особливо яскравими є дві жовті лінії.

• Лінійчастий спектр поглинання дають гази й пара, якщо за ними міститься яскраве джерело, що дає неперервний спектр — це неперервний спектр, перерізаний темними лініями саме в тих місцях, де мають бути яскраві лінії, властиві даному газові. Наприклад, дві темні лінії поглинання пари натрію (Na) містяться в жовтій частині спектра.

Вивчення спектрів дає змогу аналізувати хімічний склад газів, що випромінюють або поглинають світло. Кількість атомів або молекул, які випромінюють чи поглинають енергію, визначається інтенсивністю ліній. Чим помітніша лінія певного елемента у спектрі випромінювання або поглинання, тим більше таких атомів (молекул) на шляху променя світла.

Сонце і зорі оточені газовими атмосферами. Неперервний спектр їхньої видимої поверхні перетинається темними лініями поглинання, які виникають, коли світло проходить через атмосферу зір. Тому їхні спектри — це спектри поглинання.

Швидкості руху небесних світил відносно Землі за променями зору (променеві швидкості) визначають за допомогою спектрального аналізу на основі ефекту Доплера: якщо джерело світла і спостерігач зближаються, то довжина хвилі, що визначається розташуванням спектральних ліній, скорочується, а при їхньому взаємному віддаленні довжина хвилі збільшується. Ця залежність подається формулою:

$\lambda ={\frac {\left({c-v}\right)}{f_{0}}}$

де ν — променева швидкість руху з урахуванням знака (мінус при зближенні);

• ${f_{0}}$ — довжина хвилі нерухомого джерела;
• λ — довжина хвилі під час руху джерела;
• с — швидкість світла у вакуумі (~300 000 км/с).

Інакше кажучи, із зближенням спостерігача і джерела світла лінії спектра зсуваються до його фіолетового кінця, а з віддаленням — до червоного.

Під час отримання спектрограми світила, над нею чи під нею вдруковують спектри порівняння від земного джерела випромінювання. Спектр порівняння вважають нерухомим, і відносно нього можна визначати зміщення ліній спектра зірки. Навіть швидкості небесних тіл (десятки й сотні кілометрів на секунду) зумовлюють настільки малі зміщення (соті або десяті частки мм), що їх можна виміряти на спектрограмі тільки під мікроскопом. Щоб з'ясувати, якій зміні довжини хвилі це відповідає, треба знати масштаб спектра, тобто на скільки змінюється довжина хвилі, якщо ми просуваємося вздовж спектра на 1 мм.

За спектром можна знайти й температуру світного об'єкта. Коли тіло розжарене до червоного кольору, у його суцільному спектрі найяскравіша червона частина. Якщо його нагрівати далі, ділянка найбільшої яскравості у спектрі змішується в жовту, потім у зелену частину і так далі до фіолетового. Це явище описується законом зміщення Віна, який показує залежність положення максимуму у спектрі випромінювання від температури тіла. Знаючи цю залежність, можна встановити температуру Сонця, зірок, планет за допомогою спеціально створених приймачів інфрачервоного випромінювання.

Література

1. Прикладна оптика. Спектральні прилади та методи спектральних вимірювань : навч. посіб. / О. В. Макаренко [та ін.] ; за заг. ред. проф. Л. В. Поперенка. - К. : Пульсари, 2013. - 254 с. : рис. - ISBN 978-617-615-018-3
2. Alter, David. On Certain Physical Properties of Light Produced by the Combustion of Different Metals in an Electric Spark Refracted by a Prism. Am. J. Sci. Arts 18 (1854). (англ.)
3. Alter, David. On Certain Physical Properties of the Light of the Electric Spark, Within Certain Gases, as Seen Through a Prism. Am. J. Sci. Arts 19 (1855): pages 213—214. (англ.)
4. Brace, D. B. (Ed. and translator). The Laws of Radiation and Absorption: Memoirs by Prévost, Stewart, Kirchhoff, and Kirchhoff and Bunsen. New York, NY: American Book Company, 1901, pages 100—125. (англ.)
5. Johnson, Allen, ed.; Garraty, John and James, Edward, Eds. Dictionary of American Biography; Supplement Four. New York, NY: Charles Scribner's Sons, 1974, page 230. (англ.)
6. Retcofsky, H. L. Spectrum Analysis Discoverer, Spectroscopy Society of Pittsburgh, PA 80 (2003): 1003. (англ.)

Див. також

• Спектроскопія
• Перетворення Фур'є
• Кореляція
• Лазерний спектральний аналіз
• Спектральний аналіз вод
• Спектрометричний аналіз

Посилання

• Спектральний аналіз на сайті Хімічної енциклопедії. (рос.)
• АТОМНО-АБСОРБЦІЙНИЙ СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ...АТОМНО-СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ; АТОМНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНИЙ СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ... Фармацевтична енциклопедія
• Дослідження у невидимих променях спектра // Юридична енциклопедія : [у 6 т.] / ред. кол.: Ю. С. Шемшученко (відп. ред.) [та ін.]. — К. : Українська енциклопедія ім. М. П. Бажана, 1998. — Т. 2 : Д — Й. — 744 с. — ISBN 966-7492-00-8.