Спектральные методы анализа

Спектры испускания обусловлены переходами, при которых происходит уменьшение энергии атома (молекулы). Такие переходы происходят самопроизвольно - любая система стремится иметь минимальный запас потенциальной энергии.

Спектры поглощения связаны с переходами, при которых происходит увеличение энергии поглощающих излучение атомов (молекул). Такие переходы называются вынужденными, так как они возможны только при взаимодействии атомов (молекул) с фотонами, поэтому интенсивность спектральных линий в спектре поглощения зависит не только от числа поглощающих излучение частиц и вероятности такого поглощения, но и от числа фотонов, которые могут быть поглощены.

Интенсивность спектральных линий в спектре поглощения может быть записана так:

где В21 - коэффициент Эйнштейна, определяющий вероятность электронного перехода из состояния (2) в состояние (1) при взаимодействии атома (молекулы) с фотоном;

N2 - число атомов (молекул) в единице объёма в состоянии (2);

(21) - плотность излучения данной длины волны, т.е. Энергия фотона в единице объёма

где n(21) - число фотонов длины волны 21.

В такой записи интенсивность спектральной линии соответствует количеству энергии, поглощаемой N2 атомами (молекулами) в единице объёма в единицу времени.

Для определения положения (длин волн) спектральных линий и их интенсивностей необходимо использовать приборы, позволяющие выделять из всего спектра отдельные монохроматические (одноцветные) составляющие и измерять количество переносимой ими энергии.

Для монохроматизации часто используют светофильтры, т.е. устройства, изменяющие спектральный состав или энергию падающего на него излучения. Основной характеристикой светофильтра является его пропускание. Если в определённом интервале  пропускание не зависит от длины волны, то такой светофильтр называется нейтральным, или серым, в противном случае - селективным. Селективные фильтры используют либо для выделения узкой спектральной области (узкополосные), либо для отделения широкой области спектра. Лучшие узкополосные фильтры имеют полосу пропускания ~0,1нм, однако количество пропускаемого ими излучения невелико, поэтому основное назначение светофильтров при спектральных исследованиях - грубая монохроматизация или неселективное ослабление излучения.

Для более полной монохроматизации излучения используют спектральные приборы, действие которых основано на преобразовании диспергирующим элементом пучка неразложенного излучения в совокупность пучков различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов применяют призмы и дифракционные решетки. Принципиальная схема спектрального прибора приведена на рис.2.2.4.

Спектральный прибор состоит из входной щели 1, освещаемой спектрально неразложенным светом, объектива коллиматора 2, назначение которого - формирование спектрально неразложенного света в параллельный пучок и направление его на диспергирующий элемент 3 объектива камеры 4, назначение которого - фокусирование пучков различных длин волн (1,  2 и т.д.) в различных местах фокальной плоскости 5. Поскольку входная щель, расположенная в фокусе объектива коллиматора, является источником света для спектрального прибора, то в фокальной плоскости объектива камеры формируются её монохроматические изображения. Выходная щель, поставленная в фокальной плоскости, вырезает из всего спектра интервал длин волн . Такой прибор называется монохроматизатором.

Рис.2.2.4. Принципиальная схема спектрального прибора: 1 - входная

щель; 2 - объектив коллиматора (D1-его диаметр, f1-фокусное расстояние); 3 - призма;

4 - объектив камеры (D2 - диаметр, f2 - фокусное расстояние); 5 - фокальная плоскость

объектива коллиматора.

Приёмником излучения может служить глаз, но его возможности простираются на  приблизительно от 400 до 700 нм. Глаз не даёт возможности проводить количественную оценку мощности раздражи-теля, однако достаточно хорошо улавливает небольшие различия в интенсивности почти одинаковых источников, поэтому визуальные исследования применяют в качественном анализе и практически не используют в количественном спектральном анализе.

Большое распространение в качестве приёмников излучения получили фотоэлементы и фотоумножители, устройства преобразующие энергию светового потока в электрический ток.

Фотоэлемент (рис.2.2.5) представляет собой вакуумную колбу, на одну из стенок которой нанесён фоточувствительный слой (фотокатод) и внутри располагается анод.

При попадании электромагнитного излучения на фотокатод в цепи возникает электрический ток (i), создающий на сопротивлении R разность потенциалов, которая может быть измерена разными способами. Обычно выбирают такой режим, чтобы фототок линейно зависел от интенсивности падающего излучения. Для исследования малых световых потоков используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). ФЭУ - фотоэлементы, усиливающие фототок до 106 раз, регистрируемый затем гальванометром.

Рис.2.2.5. Принципиальная схема фотоэлемента.

Copyright © 2024 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru