Спектроскоп. Спектральный анализ

Явление дисперсии света положено в основу устройства призматических спектральных приборов: спектроскопов и спектрографов. Схема призматического спектроскопа показана на рис. 192. Он состоит из трубы коллиматора T1, треугольной призмы и зрительной трубы Т2. Исследуемое свет, пройдя через щель и линзу Л1 трубы коллиматора, падает на призму, в которой происходит спектральное разложение света. Линза Л2 зрительной трубы Т2 дает изображение спектра, которое рассматривается через линзу Л3 как через лупу. В спектрографах спектр фотографируется на цветную или высокочувствительную черно -белую пленку. Для этого фотоаппарат устанавливается на место глаза наблюдателя.

Поставим перед щелью спектроскопа электрическую лампу накаливания и с помощью спектроскопа изучать излучаемый ею свет. При незначительной силе тока нить лампы имеет красный цвет. В этот момент спектр излучаемого ею света является полоской красного цвета. Постепенно увеличивая силу тока, который течет через нить лампы, отмечаем, что в спектре ее света появятся сначала оранжевая, затем поочередно желтая, голубая, синяя и, наконец, фиолетовая части (рис. 193,1).

При съемке спектра с помощью специальных фотоаппаратов на фотопленках было обнаружено, что перед областью красного света и за областью фиолетового света есть невидимые области спектра, получили соответственно название инфракрасной и ультрафиолетовой областей.

Изучение тех не воспринимаемых глазом областей спектра показало, что в ультрафиолетовой области соответствуют длины волн в диапазоне от 1 до 380 нм, а инфракрасной области — длины волн в диапазоне от 760 нм до 1 мм.

Учитывая, что видимая часть спектра лежит в пределах от 380 до 760 нм, приходим к выводу, что для света, излучаемого сильно нагретым телом, длины волн лежат в интервале от 1 нм до 1 мм. Существенно, что в этом интервале форуме незанятых промежутков, т.е. спектр этого излучения является сплошным.

Поместим перед щелью спектроскопа трубку, наполненную водородом при низком давлении (рис. 194). При подключении трубки к источнику высокого напряжения в ней происходит электрический разряд и из трубки излучается красноватый свет. Спектр этого света состоит из нескольких светлых линий на темном фоне (рис. 193, 7). Такой спектр получил название линейчатого спектра излучения.

Поставив между щелью спектроскопа и лампой накаливания трубку, заполненную водородом (рис. 195), на фоне сплошного спектра испускания нити лампы накаливания мы обнаружим в красной части несколько темных (черных) линий (рис. 193,4). Такие спектры получили название линейчатых спектров поглощения, а сами темные линии — линий поглощения. Спектры поглощения впервые наблюдал Г. Кирхгоф.

Линейчатый спектры образуются, если свет испускается или поглощается веществом в газообразном атомарном состоянии. Положение темных линий в спектре поглощения вещества при данной температуре точно совпадают с положениями светлых линий в спектре испускания этого же вещества при той же температуре. Иначе говоря, вещество в атомарном газообразном состоянии при данной температуре выпускает и поглощает волны одинаковых частот (правило Кирхгофа).

Существуют еще полосатые спектры, состоящие из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень совершенного спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса — это совокупность большого количества плотно размещенных линий. В отличие от линейчатых спектров, полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, слабо связанные или не связанные между собой.

Состав вещества может быть определен по спектру испускания (эмиссионный метод) или по спектру поглощения (метод абсорбции).

Если в затемненном помещении перед щелью спектроскопа поставить спиртовку, что горит, то увидим сплошной спектр очень малой яркости. Источником света, что приводит этот сплошной спектр, является раскаленные твердые частицы в пламени.

Внесем в пламя спиртовки крупинку поваренной соли (NaCl). Отметим, что пламя окрасится в интенсивный желтый цвет, а в его спектре появятся две очень близко расположенные яркие желтые линии, находятся в желтой части спектра (рис. 196). То же можно наблюдать, если вместо поваренной соли внести пламени спиртовки крупинку глауберовой соли (Na2SО4), йодида натрия (Nal), сульфида натрия (Na2S) или карбоната натрия (Na2CО3). Любая соль натрия, будучи введена в пламени спиртовки, окрашивает его в желтый цвет, в желтой части спектра появляются две яркие, близко расположенные желтые линии. Иными словами, характерной чертой натрия является то, что его раскаленные пары дают спектр, в котором всегда присутствуют две яркие линии в желтой части спектра.

Если через паров натрия, которые находятся в стеклянной трубке, пропустить электрический ток, то эти пары светиться желтым цветом. В спектре этого излучения также будут присутствовать указанные выше две желтые линии.

В 1860 г. немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, изучая спектры металлов, установили, что каждый металл в парообразном состоянии имеет свой характерный линейчатый спектр. Введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла всегда приводит к появлению одинакового линейчатого спектра испускания.

Отдельные линии в спектрах различных элементов могут случайно совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его постоянной и строго индивидуальной характеристикой.

Вместе с тем оказалось, что при внесении в пламя смеси солей различных металлов в спектре одновременно появляются все характерные для этих металлов линии. Яркость спектральных линий зависит от концентрации элемента в данной смеси веществ.

Так был открыт новый метод определения химического состава вещества — спектральный анализ.

Спектральным анализом называют метод определения химического состава сложных веществ, основанный на изучении линейчатых спектров этих веществ.

Обнаружение в спектре исследуемого образца новых, незнакомых линий означало, что в образце присутствуют примеси неизвестных в то время элементов. С помощью спектрального анализа были открыты сначала рубидий и цезий, а затем Таллий, Индий, Галлий. Всего методом спектрального анализа были открыты 24 химических элемента.

Если сфотографировать спектр солнечного света, полученный с помощью качественного спектроскопа, то на снимке будут наблюдаться четкие линии поглощения (рис. 197). Впервые эти линии описал немецкий физик И. Фраунгофер, и поэтому они получили название — линии Фраунгофера. Появление этих линий связана с прохождением солнечного света через атмосферу Солнца и частично с прохождением через атмосферу Земли. Таким образом, спектр солнечного света — спектр поглощения.

Сопоставляя линии Фраунгофера с линиями испускания различных элементов, можно установить, какие элементы входят в состав атмосферы Солнца. В частности, этим методом был впервые обнаружен в атмосфере Солнца элемент Гелий. Позже Гелий обнаружили и на Земле.

Спектральный анализ по спектрам поглощения используют при изучении химического состава веществ. Для проведения спектрального анализа абсорбции исследуемое вещество сжигают в пламени, свет от которого направляется в спектроскоп или спектрограф. Одновременно через пламя пропускают свет от эталонной спектральной трубки. Если в спектре появятся линии поглощения, то это свидетельствует о вещество, содержащееся в спектральной трубке исследуемого вещества.

Спектральный анализ имеет следующие преимущества над химическим анализом: высокая чувствительность, скорость, простота определения и небольшая масса вещества, необходимой для его проведения.

Чувствительность спектрального анализа очень высока: с его помощью можно обнаружить элемент, примесь которого в веществе составляет всего одну миллионную долю процента. При благоприятных условиях удается обнаружить вещество, которое содержится в пробе массой 10-6 г.

Скорость спектрального анализа значительно больше скорости химического анализа. Поэтому спектральный анализ применяют как экспресс — анализ в металлургии, в криминалистике. Для проведения спектрального анализа требуется несколько десятков микрограммов вещества. Огромное значение спектрального анализа состоит в том, что его можно провести, не вступая в непосредственный контакт с исследуемым веществом: в спектральном анализе достаточно проанализировать свет, исследуемое вещество выпускает или поглощает.

Загрузка...
Мы в Google+