Работа № 23. Спектральный анализ

1. Цель работы.

Целью работы является обучение обращению со спектральными приборами: спектроскопом и стилоскопом, получение элементарных навыков в анализе состава газов, солей и металлов.

2. вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы.

- Отличие спектров газов от спектров жидкостей и твердых тел.

- Методы возбуждения оптических спектров веществ.

- Типы спектральных приборов, их преимущества и недостатки.

- Разновидности призм, применяемых в спектроскопах и ход лучей в спектроскопах с этими призмами.

- Стилоскоп, его устройство и методика работа на приборе.

Часть 1.

Спектроскопия является мощным инструментом исследования для всех естественных наук, особенно для астрономии, физики, химии, биологии. Использование спектроскопии привело к открытию многих химических элементов: цезия, гелия, галлия, рубидия. Наиболее важными для химии областями спектроскопии являются качественный и количественный анализ исследуемых веществ.

Астрономические исследования звезд и туманностей невозможны без спектроскопии. Сведения о составе небесных тел можно получить большей частью только спектральными методами. Смещение спектральных линий, вызванное эффектом Доплера, служит методом измерения скорости приближения и удаления звезд и туманностей.

Большое место спектроскопия занимает в физических исследованиях. Она дает точные сведения об электронных структурах атомов. Множество линий, кажущихся узкими, можно разложить на ряд очень близко расположенных друг к другу. Это так называемая сверхтонкая структура дает сведения о ядерном спине излучающих атомов.

Быстрота анализа – очень ценное качество спектрального анализа. Это успешно используется в различных областях металлургической промышленности особенно для выплавки металлов с заданной концентрацией примесей.

Спектры разреженных газов, состоящих из отдельных атомов, нейтральных или ионизированных паров веществ (например, паров металлов) представляют собой ряд тонких линий. Такие спектры называются линейчатыми. При этом спектры газов, состоящих из атомов, ионизированных однократно или многократно, отличаются от спектров тех же газов, состоящих из нейтральных атомов. Например, спектр однократно ионизированного иона лития будет похожим на спектр атома гелия, т.к. оставшаяся оболочка есть копия оболочки гелия и переходы, разрешенные для гелия, будут распространяться на ион лития. Двукратно ионизированный литий будет похож на атом водорода; закономерности в спектре водорода распространяются на литий с поправкой лишь на разницу зарядов и масс ядре.

При средней плотности атомов, когда взаимодействие между атомами газа становится заметным, спектр испускания представляет собой ряд отдельных полос, резких с одного края и размытых с другого. С помощью сильно разрешающего прибора можно наблюдать, что эти полосы состоят из множества весьма близких линий. Таков же характер спектров молекул, состоящих из двух и многих взаимодействующих атомов.

Часть 2.

Для получения свечения вещества необходимо передать его электронам энергию, достаточную для перехода на уровень с большей энергией. В таких состояниях электроны долго находиться не могут и примерно через время с возвращаются на более низкий энергетический уровень с испусканием кванта света.

Способы передачи атому избыточной энергии могут быть самыми разнообразными: для наблюдения спектров разряженных газов используют газовый разряд. Напряжение, приложенное к трубке с газом, разгоняет электроны и заряженные ионы газа, которые сталкиваются с нейтральными атомами, и передает им свою энергию, т.е. переводят нейтральные атомы в возбужденное состояние.

Другой способ, который чаще всего используется для получения спектра испускания от атомов металлов и твердых тел, заключается в создании дугового разряда между электродами, сделанными из исследуемого материала. При дуговом разряде развивается высокая температура, исследуемое вещество интенсивно испаряется и возбуждение испарившихся атомов осуществляется за счет соударения с атомами, имеющими большую кинетическую энергию теплового движения.

Иногда вместо дуги используют высокотемпературное пламя – этот метод часто используется для возбуждения атомов щелочных металлов, т.к. энергия возбуждения этих атомов невелика.

Все эти способы возбуждения атомов переводят вместе с тем вещество в газообразное состояние. При котором взаимодействие между атомами мало. Атомы отдельных веществ дают только им присущие линии, которые отличают их от всех других веществ. Это отличие спектров различных элементов таблицы Менделеева положено в основу так называемого качественного спектрального анализа, задача которого отличить по спектрам испускания или поглощения данное вещество от всех других. Другая область применения спектрального анализа заключается в определении процентного содержания веществ в их смеси, сплаве или растворе. Интенсивность линий спектра зависит от количества излучающих атомов определенного вещества. Зная соотношение между интенсивностью линий спектра и количеством излучающих атомов данного вещества можно найти его концентрацию в сплаве, растворе или смеси. Это количественный спектральный анализ.