Спектроскопы, спектрографы, монохроматоры, спектрофотометры и их применение в медицине.

Спектральные приборы служат для разложения по частотам (или по длинам волн) электромагнитного излучения оптического диапазона и исследования этого разложения.

Любой спектральный прибор (рис. 6.) имеет входной коллиматор, диспергирующий элемент и выходной коллиматор (камеру). Узкая входная щель S, освещенная исследуемым излучением, устанавливается в фокусе объектива О₁, который образует параллельный пучок спектрального неразложенного излучения и направляет его на диспергирующий элемент D. Последний преобразует этот пучок в систему параллельных монохроматических пучков, выходящих из элемента под разными углами , зависящими от длины волны излучения . Камерный объектив О₂ создает на экране Е, расположенном в его фокальной плоскости, совокупность монохроматических изображений входной щели S. В итоге получается пространственное разложение излучения в спектр.

Спектральные приборы различаются по способу регистрации спектра (визуальные, фотографические, фотоэлектрические), по способу спектрального разложения излучения (призменные, дифракционные, интерференционные), по области спектра, в которой они применяются (для инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой области), по назначению (для эмиссионного анализа, исследования комбинационного рассеяния и др.). Конструкция и оптическая схема прибора определяются совокупностью всех перечисленных признаков, но в наибольшей степени первым из них, по которому прибор и получает название.

S

Рис. 6. Структурная схема спектрального прибора.

Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами. Они используются в видимой (380-760 нм) области в соответствии со спектральной чувствительностью глаза. Приборы с фотографической регистрацией спектров – спектрографы – применяются в видимой и ультрафиолетовой областях в соответствии с чувствительностью фотоматериалов. Приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения, называемые спектрометрами или спектрофотометрами, позволяют анализировать излучение от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области.

Основные характеристики спектральных приборов – угловая и линейная дисперсии, разрешающая способность (или разрешающая сила) и дисперсионная область.

Дисперсия. Угловой дисперсией прибора называется величина

D_угл = d/d,

где d - угол между лучами с длинами волн  и  + d. Дисперсия характеризует степень изменения угла отклонения светового пучка, выходящего из прибора, при изменении длины волны.

Разрешающая способность. Возможность разрешения (то есть раздельного восприятия) двух близких монохроматических линий зависит не только от угловой или линейной дисперсии прибора, но также и от ширины этих спектральных линий. На рисунке сплошной линией показана результирующая интенсивность двух близких спектральных линий (штриховые кривые), но с различной разрешающей способностью (₁ и ₂ – длины волн, соответствующие каждой из линий). В первом случае (рис. 7., а) линии получаются настолько широкими, что они перекрываются и воспринимаются как одна. Во втором и третьем случае (рис. 7., б и в) линии узкие, поэтому они разрешены.

Рис. 7. Две спектральные линии, полученные на приборах с различной разрешающей способностью.

Для количественной характеристики возможности прибора разделять две близкие спектральные линии вводят величину, называемую разрешающей способностью:

R = / d_min,

где d_min – наименьшая разность длин волн – предел разрешения – двух спектральных линий, которые могут быть разрешены прибором;  - длина волны, соответствующая центру провала интенсивности в суммарном спектре.