30 263 subscribers

Как узнать из чего что состоит? [Спектральный анализ]

527 full reads

Для того, чтобы узнать химический состав вещества, можно использовать самые различные способы и методики. Одной из самых популярных методик сегодня является метод спектрального анализа или спектроскопия.

По названию, вроде как, уже понятно, что речь должна пойти про работу со спектрами. Но не совсем ясно, как можно соотнести химический состав и эти самые спектры.

Вспоминаем понятие "Спектр"

Когда мы рассматривали природу формирования цвета предметов, то обозначили, что цвет любого объекта является результатом отражения от него пучков определённой длины волны.

Глаз алмаз
Глаз алмаз

Длина волны и формирует в нашем мозгу восприятие соответствующего цвета. Ну а если пропустить белый цвет через трехгранную прозрачную призму, то мы получим радугу. Этот фокус придумал ещё Ньютон и тем самым доказал, что белый цвет - это результат воздействия суммы всех монохроматических излучений.

Радужная картинка, получаемая в результате прохождения белого света (вспомните, что такое свет с точки зрения физики) через призму и есть спектр. Радуга - это тоже спектр. Ну а вообще - спектр есть просто распределение значений физической величины.

Как собственно применить понятие спектра для идентификации вещества? Физический принцип работы

При использовании спектрального анализа используется ключевой термин "спектр". Это название общего типа понятия, на котором и базируется вся методика.

Если разложить белый цвет на спектр, то получим радугу. Белый цвет содержит 7 излучений, входящих в его состав. Если же разложить не белый цвет, а другое излучение, то и вместо радуги мы получим другой вариант спектра.

Известно, что каждый химический элемент испускает и поглощает характерный только для него световой спектр.
Вот такую табличку построили ещё при Деде Горохе
Вот такую табличку построили ещё при Деде Горохе

Раскладывать поток излучения можно или призмой, или дифракционной решеткой. Это уже не столь важно. Важна логика работы. Ну и тут не сложно догадаться, что у разных химических элементов эти спектры будут разными, потому что они излучают разные типа излучений.

Под спектральными наблюдениями понимают обычно наблюдения в интервале от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей.

Но как тут заставить материал "светиться"? Ведь в обычном состоянии тот же металлический нож, вроде как, и не светится.

Варианты активации веществ для наблюдения спектра

Наибольшее распространение сегодня имеют два разных принципиальных подхода к активации химических элементов. Первый основан на эмиссии (испускании), а второй на абсорбции (поглощении).

Принципиальная схема спектрального анализа
Принципиальная схема спектрального анализа

Для того, чтобы исследуемое вещество начало что-то испускать и происходила эмиссия, его можно, как вариант, нагреть! Нагревать можно самыми разными способами. Молекулы разделяются на атомы, а атомы, получившие избыточную энергию, излучают её в виде света. Само собой, у каждого атома "свой свет", разложение которого даст свой спектр.

Примерно такая картинка получится
Примерно такая картинка получится

Из этого положения следует, что одним из главных ограничений метода является невозможность выявлять молекулярный состав. Только химический анализ атомарного типа. В результате эксперимента мы увидим, что в теле есть, скажем, Na и Cl. Но какая там молекула или фаза из них срастется мы можем только предполагать.

Следующий вариант - это наоборот облучать чем-то исследуемое вещество. Так работает абсорбционная логика эксперимента. Атомы облучаются внешним источником излучения. Некоторая часть поглощается атомами вещества, а некоторая отражается обратно. По соотношению поглощения и отражения делается вывод о химическом составе.

Как разобраться во всем этом винегрете?

Но как понять, какой именно элемент что испускает? Ведь происходит излучение целого светового потока. Из него нужно как-то вычленить, что есть в составе такой-то химический элемент и такой-то.

Световой поток суммируется от всех присутствующих в пробе веществ. Но на помощь приходит обстоятельство, что для каждого конкретного химического элемента были уже когда-то зарегистрированы характерные спектры. Значит, остается найти лишь характерные группы спектров в этой общей каше.

Распределение по интенсивностям
Распределение по интенсивностям

С учетом того, что сегодня компьютер анализирует получаемые спектры, это всё совсем просто. Сами спектральные аппараты служат разделительным элементом системы спектроскопии. Они и выявляют чего и сколько.

Как понять какое количество элемента содержится в химическом составе?

Тут тоже всё довольно логично. Чем ярче светится, тем больше элемента. Есть экспериментальные данные, которые выявлены для чистых веществ и распределение интенсивностей позволяет сделать в итоге не только выводы о химическом составе, но и о процентном содержании каждого элемента в общей массе.

Спектральный анализ в изучении космоса

Нехитрая на первый взгляд методика позволила получить невероятные результаты в изучении космических пространств.

Спектр солнца
Спектр солнца

Так, стало возможно определить элементный состав солнца или любого другого светила, исходя из разложения на спектры его излучения. Ведь тело это само по себе уже горячее и частички там активированы.

Значит, остается просто их зарегистрировать по факту и сделать выводы. Соответственно, подобный подход позволяет найти хим.состав.

Аналогичным образом можно применить и абсорбционные методы, исходя из описанных выше положений.

Остались вопросы или нужна консультация?

Школа Инженерных знаний Юрия Трифонова

------------

Понравилась статья? Обязательно оцените её лайком и подпишитесь на проект! Ведь алгоритмы дзена преимущественно продвигают другие тематики :(

-------------

Советую также прочитать на нашем канале:

-----

Смотрите нас на YouTube и присоединяйтесь к нашему Телеграм!