Группа МЖКХ 2 Физика 03.05.2021. Тема. Спектры.
учебно-методический материал по физике

Спектр (лат. spectrum «виде́ние») в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Под спектром подразумевается электромагнитный спектр — распределение интенсивности электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.

В научный обиход термин «спектр» ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму.

Исторические сведения

Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу,  заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом.

Через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802 году наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 году эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре и отметил, что положение линии D близко к положению яркой жёлтой линии в спектре пламени.

В 1854 году Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа, первого из инструментальных спектральных методов — одних из самых мощных методов экспериментальной науки.

Планк пришёл к идее кванта в процессе работы над теорией спектра абсолютно чёрного тела.

В 1910 году были получены первые неэлектромагнитные спектры: Дж. Дж. Томсон получил первые масс-спектры, а затем в 1919 году Астон построил первый масс-спектрометр.

С середины XX века, с развитием радиотехники, получили развитие радиоспектроскопические, в первую очередь магнито-резонансные методы — спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия, являющаяся сейчас одним из основных методов установления и подтверждения пространственной структуры органических соединений), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), циклотронного резонанса (ЦР), ферромагнитного (ФР) и антиферромагнитного резонанса (АФР).

Другим направлением спектральных исследований, связанным с развитием радиотехники, стала обработка и анализ первоначально звуковых, а потом и любых произвольных сигналов.

СПЕ́КТРЫ ОПТИ́ЧЕСКИЕ, спектры электромагнитного излучения в ИК-, видимом и УФ-диапазонах электромагнитных волн; характеризуют распределение энергии (интенсивности) излучения по длинам волн (частотам) и охватывают диапазон длин волн 10–3–103 мкм. Выделяют спектры испускания (излучения, эмиссионные), а также спектры поглощения (абсорбции), рассеяния и отражения, возникающие при соответствующем взаимодействии излучения с веществом.

Основной  механизм возникновения сплошных (непрерывных) спектров – взаимодействие свободных электронов с ионами в плазме (тормозное и рекомбинационное излучение). Для атомных спектров характерна линейчатая структура, линии которой образуются при переходах между электронными уровнями энергии (переходы с верхних уровней на нижние дают спектры испускания, обратные переходы – спектры поглощения). Полосатые спектры могут возникать при электронных переходах в молекулах или при межзонных переходах в кристаллах Положение полос в полосатом спектре характерно для данного вещества, линий в линейчатом спектре – для данного химич. элемента.

Спектральный анализ - совокупность методов анализа химического состава веществ, в основе которого лежит исследование спектров испускания, поглощения, отражения и люминесценции. При этом используется основное свойство спектров: длина волны или частота - индивидуальный параметр, который соответствует только определенному атому исследуемого вещества, и не зависит от источника возбуждения.

Метод отличается высокой чувствительностью, точностью и простотой, что делает его универсальным, и обуславливает его широкое распространение в промышленности.

В основе спектральных методов лежат такие процессы:

Абсорбция. При взаимодействии вещества с электромагнитным излучением происходит его частичное поглощение.

Люминесценция. При возбуждении частиц вещества под воздействием внешнего излучения происходит испускание излучения, имеющего другую частоту.

Эмиссия. При воздействии источника возбуждения вещество переходит в состояние плазмы и испускает излучение.

Рассеяние. Процесс происходит при падении электромагнитного излучение на исследуемый образец.

Виды спектральных методов: Абсорбционный. Люминесцентный. Эмиссионный.

Комбинационный.

Применение спектрального анализа.                                               

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Кроме астрофизики спектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления.

Еще шире спектральный анализ используют в медицине. Его можно использовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородные вещества в организме человека.

Спектральный анализ прогрессирует не только науку, но и общественную сферу человеческой деятельности.

Атомный спектральный анализ находит широкое практическое применение по сравнению с другими методами спектрального анализа. Исследование химического состава сплава при ведении плавки металла.

Анализ готовых изделий с целью определения марки, состава, примесей.

Контроль качества на всех стадиях производства.

Контроль качества исходного материала.

Экологический мониторинг состояния окружающей среды.

Изучение химического состава геологических объектов.

ЭКОЛОГИЯ        

Эмиссионные спектрометры - универсальные приборы, которые способны исследовать не только металлические, но и токонепроводящие пробы. С их помощью можно исследовать вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях и формах. Диапазон спектральных линий охватывает все интересующие элементы, в том числе C, S, P, O, H и щелочно-земельные элементы.

ГЕОЛОГИЯ

Химический анализ состав руд и минералов, геологическая разведка для поиска новых месторождений, изучения метеоритного материала

Технология обогащения рудных и нерудных материалов требует тщательного контроля качества на всех стадиях процесса.

МЕТАЛЛУРГИЯ

Определение марки стали.

Анализ углерода, серы и фосфора в сплаве.

Анализ неметаллических включений и примесей.

Анализ чистых металлов и сложных сплавов.

Сертификационный анализ.

Эмиссионные приборы широко используются для сортировки и анализа состава металлического лома, который служит сырьем для получения стали, информация о химическом составе сплава.

МАШИНОСТРОЕНИЕ

Атомно-эмиссионные спектрометры - оптимальный вариант приборов для машиностроения, которые дают возможность получать точную информацию о химическом составе материала или марке стали в кратчайшие сроки. Портативные модели позволяют проводить исследования в полевых условиях, и не требуют наличия у оператора специальных знаний и особых умений, а стационарные приборы решают аналитические задачи любой сложности.