МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Черкаський  національний університет

імені Богдана Хмельницького 
 
 
 
 

     Реферат з оптики на тему: 

     «Спектри  та спектральний аналіз» 
 
 
 
 

                                      Реферат

                                                                                             студента 3-А курсу

                                                                                             фізичного факультету

      Перевірив: -

                                                                                             Богатирьов О.І.

Черкаси – 2011

Зміст

1. Всту……………………………………………………………………….…3
2. Механізм випромінювання …………………………….……………….…4
3. Види випромінювання ……………………………………………….….…5
4. Розподіл енергії в спектрі ………………………………………………....7
5. Види спектрів ………………………………………………………….…...9
6. Спектральний аналіз ……………………………………………………...12
7. Види спектральних аналізів ………………………………………….…..13
8. Спектральні апарати ……………………………………………………...15
9. Висновок …………………………………………………………………..16
10. Література …………………………………………………………………18

Вступ

Спектр - це розкладання світла на складові частини, промені різних кольорів.Метод  дослідження хімічного складу різних речовин по лінійчатих їхспектрами  випускання або поглинання називають  спектральним аналізом. Дляспектрального аналізу потрібно зовсім незначну кількість речовини. Швидкість і чутливість зробили цей метод незамінним як в лабораторіях, так і в астрофізиці. Тому що кожен хімічний елемент таблиці Менделєєва випромінює характерний тільки для нього лінійчатий спектр випускання і поглинання, то це дає можливість досліджувати хімічний склад речовини. Вперше його спробували зробити фізики Кірхгоф і Бунзен в 1859 році, спорудивши спектроскоп. Світло пропускався в нього через вузьку щілину, прорізану з одного краю підзорної труби (ця труба з щілиною називається коліматор). З коліматора промені падали на призму, накриту скринькою, обклеєні з середини чорним папером. Призма відхиляла у бік промені, які йшли з щілини. Виходив спектр. Після цього завісили вікно шторою і поставили біля щілини коліматора запалений пальник. У полум'я свічки вводили по черзі шматочки різних речовин, і дивилися через другу підзорну трубу на що виходитьспектр. Виявлялося, що розпечені пари кожного елемента давали промені строго певного кольору, і призма відхиляла ці промені на строго певне місце, і ні один колір тому не міг замаскувати іншого. Це дозволило зробити висновок, що знайдений радикально новий спосіб хімічногоаналізу - за спектром речовини. У 1861 Кирхгоф довів на основі цього відкриття присутність в хромосфері Сонця ряду елементів, поклавши початок астрофізики.

Механізм  випромінювання

     Джерело світла має споживати енергію. Світло - це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 4 * 10^-7 - 8 * 10^-7 м. Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частинки входять до складу атомів. Але, не знаючи, як влаштований атом, нічого достовірного про механізми випромінювання сказати не можна. Ясно лише, що всередині атома немає світла так само, як у струни рояля немає звуку. Подібно струні, що починає звучати лише після удару молоточка, атоми народжують світло тільки після їх порушення.

     Для того щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію, і для безперервного світіння речовини необхідний приплив енергії до його атомів ззовні.

Теплове випромінювання. Найбільш простий і розповсюджений вид випромінювання.

Види  випромінювання

     -Теплове випромінювання, при якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються за рахунок енергії теплового руху атомів (молекул) випромінюючого тіла. Чим вища температура тіла, тим швидше рухаються атоми. Під час зіткнення швидких атомів (молекул) один з одним частина їхкінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло. Тепловим джерелом випромінювання є Сонце, а також звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручний, але мало економічне джерело. Лише приблизно 12% всієї енергії, що виділяється в лампі електричним струмом, перетвориться в енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум'я. Крупинки сажі розжарюється за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива, і випромінюють світло.

     -Електролюмінесценція. Енергія, необхідна атомів для випромінювання світла,може запозичити і з нетеплових джерел. При розряді в газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони зазнають зіткнення з атомами. Частина кінетичної енергії електронів йде на збудження атомів. Збуджені атоми віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Завдяки цьому розряд в газі супроводжується світінням. Це і є електролюмінесценція.

     -Катодолюмінесценція. Савчин твердих тіл, викликане бомбардуваннямїх електронами, називають катодолюмінісенціей. Завдяки катодолюмінесценціісвітяться екрани електронно-променевих трубок телевізорів.

     -Хемілюмінесценція. При деяких хімічних реакціях, що йдуть з виділенням енергії, частина цієї енергії витрачається безпосередньо на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це явище називається хеміолюмінесценкією.

     -Фотолюмінесценція. Падаюче на речовину світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія поглинається світлом в більшості випадків викликає лише нагрівання тел. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією падаючого на нього випромінювання. Це і є фотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини (збільшує їх внутрішню енергію), після цього вони висвічуються самі. Наприклад,світяться фарби, якими покривають багато ялинкових іграшок, випромінюють світло після їх опромінення. Світло що випромінюється при фотолюмінесценції має, як правило, більшудовжину хвилі, ніж світло, збудженого світіння. Це можна спостерігати експериментально. Якщо направити на посудину з флюоресцеітом (органічний барвник) світловий пучок, пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починаєсвітитися зелено - жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі, ніж уфіолетового світла. Явище фотолюмінесценції широко використовується в лампах денного світла. Радянський фізик С. І. Вавилов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під дією коротко хвильового випромінювання газового розряду. Лампи денного світла приблизно в три-чотири рази економічніше звичайних ламп розжарювання.

Розподіл  енергії в спектрі

На екрані за заломлюючої призмою монохроматичні кольори в спектрі розташовуються в наступному порядку: червоний (що має найбільшу серед хвиль видимого світла довжину хвилі (λ = 7,6*10^-7 м і найменший показник заломлення), оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий (що має найменшу у видимому спектрі довжину хвилі (λ = 4*10^-7 м і найбільший показник заломлення). Жодне з джерел не дає монохроматичногосвітла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконують досліди по розкладу світла в спектр за допомогою призми, а також досліди з інтерференції і дифракції. Та енергія, яку несе з собою світло від джерела, визначеним чином розподілена по хвилях всіх довжин, що входять до складу світлового пучка. Щільність потоку електромагнітного випромінювання, або інтенсивність, визначається енергією ∆W, що припадає на всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами потрібно ввести нову величину: інтенсивність, що припадає на одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною щільністю інтенсивності випромінювання. Спектральну щільність потоку випромінювання можна знайти експериментально. Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад, електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали. Покладатися на-віч при оцінці розподілу енергії не можна. Око володіє виборчою чутливістю до світла: максимум його чутливості лежить в жовто-зеленій області спектра. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіх довжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагрівання тіла. Тому досить виміряти температуру тіла і по ній судити про кількості поглиненої в одиницю часу енергії.

Звичайний термометр має занадто малу чутливість для того,щоб його можна було з  успіхом використовувати в таких  дослідах. Потрібні більш чутливі прилади для вимірювання температури. Можна взятии електричний термометр, в якому чутливий елемент виконаний у вигляді тонкої металевої пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаром сажі, майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі. Чутливу до нагрівання пластину приладу слід помістити в те або інше місце спектру. Всьому мабуть спектру завдовжки l від червоних променів дофіолетових відповідає інтервал частот від ʋ_кр до ʋ_ф. Ширині відповідає малий інтервал. За нагріванням чорної пластини приладу можна судити про щільність потоку випромінювання, що припадає на інтервал частот. Переміщуючи пластину вздовж спектра, ми виявимо, що більша частина енергії припадає на червону частину спектру, а не на жовто-зелене,як здається на-віч. За результатами цих дослідів можна побудувати криву залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання визначається по температурі пластини, а частоту неважко знайти, якщо використовувати для розкладання світла прилад проградуйованій, тобто, якщо відомо, якій частоті відповідає дана ділянка спектра.

Крива залежності спектральної щільносьті інтенсивності  випромінювання від частоти у  видимій частині спектру електричної  дуги

Види  спектрів

Спектральний склад випромінювання речовин дуже різноманітний. Але, незважаючи на це, всі спектри, як показує досвід, можна розділити накілька типів: існують безперервні, лінійчатих і смугасті спектри випромінювання та стільки ж видів спектрів поглинання.

     -Безперервні спектри. Сонячний спектр або спектр дугового ліхтаря є безперервним. Це означає, що в спектрі представлені хвилі всіх довжин. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачити різнокольорову суцільну смугу.

Розподіл енергії по частотах, тобто спектральна щільність інтенсивності випромінювання, для різних тіл по-різному. Наприклад, тіло з дуже чорною поверхнею випромінює електромагнітні хвилі всіх частот, але крива залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти має максимум при певній частоті. Енергія випромінювання, що припадає на дуже малі і дуже великі частоти, мізерно мала. При підвищенні температури максимум спектральної щільності випромінювання зміщується в бік коротких хвиль. Безперервні (чи суцільний) спектри, як показує досвід, дають тіла,що знаходяться в твердому або рідкому стані, а також сильно стиснуті гази. Для отримання безперервного спектру потрібно нагріти тіло до високої температури. Характер безперервного спектру і сам факт його існування визначаються не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й у сильному ступені залежать від взаємодії атомів один з одним. Безперервний спектр дає також високо температурна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою в основному при зіткненні електронів з іонами. 

     -Лінійчатих спектри. Внесемо в бліде полум'я газового пальника шматочок азбесту, змоченого розчином звичайної кухонної солі. При спостереженні полум'я в спектроскоп на фоні ледь помітного безперервного спектра полум'я спалахує яскрава жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, які утворюються при розщепленні молекул повареної солі в полум'я. Кожен з них - це частокіл кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Такі спектри називаються лінійчаті. Наявність лінійчатого спектру означає, що речовина випромінює світло тільки цілком певних довжин хвиль (точніше, в певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна лінія має кінцеву ширину. Лінійчаті спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але немолекулярному) стані. У цьому випадку світло випромінюють атоми, які практично не взаємодіють один з одним. Це самий фундаментальний,основний тип спектрів. Ізольовані атоми випромінюють строго певні довжини хвиль. Зазвичай для спостереження лінійчатих спектрів використовують світіння парів речовини в полум'я або світіння газового розряду в трубці, наповненої досліджуваним газом. При збільшенні щільності атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються, і, нарешті, при дуже великому стисненні газу, коли взаємодія атомів стає суттєвим, ці лінії перекривають одинодного, створюючи безперервний спектр.

Зразковий розподіл спектральної щільності  інтенсивності випромінювання у  лінійчатому спектрі 
 

     -Смугасті спектри. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. За допомогою дуже хорошого спектрального апарата можна виявити, що кожна смуга являє собою сукупність великого числа дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатих спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, непов'язаними або слабко пов'язаними один з одним. Для спостереження молекулярних спектрів так само, як і для спостереження лінійчатих спектрів, зазвичай використовують світіння пари в полум'я абосвітіння газового розряду.

     -Спектри поглинання. Усі речовини, атоми яких знаходяться в збудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, що відповідають червоному світлу, і поглинає всі інші. Якщо пропускати біле світло крізь холодний, невипромінюючий газ, то на тлі безперервного спектру джерела з'являються темні лінії. Газ поглинає найбільш інтенсивне світло саме тих довжин хвиль, які він випускає в сильно нагрітому стані. Темні лінії на тлі безперервного спектру – це лінії поглинання, що утворюють в сукупності спектр поглинання.

Лінійчаті спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, не відчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись з лінійчатими спектрами, ми тим самим робимо перший крок до вивчення будови атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали можливість «зазирнути» всередину атома. Ця наука називається спектральний аналіз.

Спектральний  аналіз

Спектральний  аналіз - метод визначення хімічного складу за його спектром.

Атоми будь-якого хімічного елементу дають  спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати строго певний набір довжин хвиль.

Видима частина сонячного випромінювання при вивченні за допомогою спектроаналізуючих приладів виявляється неоднорідною – в спектрі спостерігаються  лінії поглинання, вперше описані в 1814 році І. Фраунгофером. Спектральний аналіз дозволяє отримати інформацію про склад Сонця, оскільки певний набір спектральних ліній виключно точно характеризує хімічний елемент. Так, за допомогою спостережень спектру Сонця був відкритий гелій. За допомогою спектрального аналізу дізналися, що зірки складаються з тих же самих елементів, які є і на Землі. За допомогою  спектрального аналізу можна виявити даний елемент у складі складної речовини. Завдяки універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомній індустрії.

Види  спектральних аналізів

Головна властивість лінійчатих спектрів полягає  в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійчатих спектру певної речовини залежать тільки відвластивостей атомів цієї речовини, але зовсім не залежать від способу збудження світіння атомів. Атоми будь-якого хімічного елемента дають спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати суворо певний набір довжин хвиль. На цьому заснований спектральний аналіз - метод визначення хімічного складу речовини за його спектру. Подібно відбитками пальців у людей лінійчатих спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторність візерунків на шкірі пальця часто допомагає знайти злочинця. Точно так само завдяки індивідуальності спектрів є можливість визначити хімічний склад тіла. За допомогою спектрального аналізу можна виявити цей елемент у складі складного речовини. Це дуже чутливий метод. На даний час відомі наступні види спектральних аналізів – атомний спектральний аналіз (АСА) (визначає елементний склад зразка з атомних (іонним) спектрами випускання і поглинання), емісійний АСА (за спектрами випускання атомів, іонів і молекул, порушених різними джерелами електромагнітного випромінювання в діапазоні від g-випромінювання до мікрохвильового),атомно-абсорбції СА (здійснюють за спектрами поглинання електромагнітного випромінювання аналізованого об'єкта (атомами, молекулами,іонами речовини, що знаходиться в різних агрегатних станах)), атомно -флуоресцентне СА, молекулярний спектральний аналіз (МСА) (молекулярний склад речовин з молекулярною спектрами поглинання, люмінесценції та комбінаційного розсіяння світла.), якісний МСА (досить встановити наявність або відсутність аналітичних лінійвизначених елементів. За яскравості ліній при візуальному перегляді можнадати грубу оцінку змісту тих або інших елементів у пробі), кількісний МСА (здійснюють порівнянням інтенсивностей двох спектральнихліній в спектрі проби, один з яких належить визначальним елементом,а інша (лінія порівняння) - основного елементу проби, концентрація якого відома, або спеціально вводиться в відомої концентрації елементу).

В основі МСА лежить якісне і кількісне  порівняння обчисленого спектру досліджуваного зразка із спектрами індивідуальних речовин. Відповідно розрізняють якісний і кількісний МСА. У МСА використовують різні види молекулярних спектрів, обертальні [спектри в мікрохвильовій і довгохвильовій інфрачервоній (ІЧ) областях], коливальні і коливально-обертальні [спектри поглинання і випускання в середній ІЧ -області, спектри комбінаційного розсіяння світла (КРС), спектри ІЧ -флуоресценції], електронні, електронно-коливальні та електронно-коливально-обертальні [спектри поглинання і пропускання у видимій і ультрафіолетової (УФ) областях, спектри флуоресценції]. МСА дозволяє проводити аналіз малих кількостей (у деяких випадках частки мкг і менше) речовин, що знаходяться в різних агрегатних станах. Кількісний аналіз складу речовини за його спектру утруднений, так як яскравість спектральних ліній залежить не тільки від маси речовини, але й від способу збудження світіння. Так, при низьких температурах багатоспектральні лінії взагалі не з'являються. Однак при дотриманні стандартних умов збудження свічення можна проводити і кількісний спектральний аналіз. Самим точним з перерахованих аналізів є атомно-абсорбції СА. Методика проведення АСА в порівнянні з іншими методами значно простіше,для нього характерна висока точність визначення не тільки малих, а й великих концентрацій елементів у пробах. АСА з успіхом замінює трудомісткіі тривалі хімічні методи аналізу, не поступаючись їм у точності.

Спектральні апарати

Для точного  дослідження спектрів такі прості пристосування, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, які дають чіткий спектр, тобто прилади, добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарата є призма або дифракційна сітка.

Розглянемо  схему пристрою призмового спектрального апарату. Досліджуване випромінювання надходить спочатку в частину приладу, звану коліматорами. Коліматор представляє собою трубу, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому, що збирає - лінза. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому розходячись світловий пучок, що потрапляє на лінзу з щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму. Так як різним частотах відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються за напрямком. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або фотопластинки. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузького спектрального інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом і утворюють спектр.

Описаний  прилад називається спектрографом. Якщо замість другої лінзи і екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів,то прилад називається спектроскопом. Призми та інші деталі спектральних апаратів необов'язково виготовляються зі скла. Замість скла застосовуються і такі прозорі матеріали, як кварц, кам'яна сільта ін.

Висновок

В даний  час визначені спектри всіх атомів і складені таблиці спектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нових елементів: рубідій, цезій та ін Елементам часто давали назви відповідно до кольору найбільш інтенсивних ліній спектра. Рубідій дає темно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає «небесно-блакитний». Це колір основних ліній спектру цезію. Саме за допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонцяі і зірок. Інші методи аналізу тут взагалі неможливі. Виявилося, що зірки складаються з тих же самих хімічних елементів, які є і на Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонці, і лише потім знайшли в атмосфері Землі. Назва цього елемента нагадує про історію його відкриття: слово гелій означає в перекладі «сонячний». Завдяки порівняльній простоті і універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомної індустрії. За допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд і мінералів. Склад складних, головним чином органічних, сумішей аналізується за їх молекулярними спектрами. Спектральний аналіз можна проводити не тільки за спектрами випускання, але і за спектрами поглинання. Саме лінії поглинання в спектрі Сонця і зірок дозволяють досліджувати хімічний склад цих небесних тіл. Яскраво світиться поверхня Сонця - фотосфера - дає неперервний спектр. Сонячна атмосфера поглинає вибірково світло від фотосфери, що призводить до появи ліній поглинання на фоні безперервного спектру фотосфери. Але й сама атмосфера Сонця випромінює світло. Під час сонячних затемнень, коли сонячний диск закрито Місяцем, відбувається звернення ліній спектра. На місці ліній поглинання в сонячному спектрі спалахують лінії випромінювання.

У астрофізиці  під спектральним аналізом розуміють  не тільки визначення хімічного складу зірок, газових хмар і т. д., але і знаходження по спектрах багатьох інших фізичних характеристик цих об'єктів: температури, тиску, швидкості руху, магнітної індукції.

Важливо знати, з чого складаються оточуючі нас тіла. Винайдено багато способів визначення їх складу. Але склад зірок і галактик можна дізнатися тільки за допомогою спектрального аналізу. Значну роль АСА грає в атомній техніці,виробництві чистихнапівпровідникових матеріалів,надпровідників і т. д. Методами АСА виконується більше 3/4 всіх аналізів у металургії. За допомогою квантометрів проводять оперативний (протягом 2-3 хв) контроль під час плавки в мартенівському і конвертерному виробництвах. У геології та геологічного розвідку для оцінки родовищ виробляють близько 8 млн. аналізів на рік. АСА застосовується для охорони навколишнього середовища та аналізу грунтів, у криміналістиці і медицині, геології морського дна і дослідженні складу верхніх шарів атмосфери, при поділі ізотопів і визначенні віку і складу геологічних іархеологічних об'єктів і т. д.

     Отже, спектральний аналіз застосовується майже  в усіх найважливіших сферах людської діяльності. Таким чином, спектральний аналіз є одним з найважливіших аспектів розвитку не тільки наукового прогресу, а й самого рівня життя людини.

Література

1. Заідель А. Н., Основи спектрального аналізу, М., 1965
2. Методи спектрального аналізу, М,, 1962;
3. Чулановскій В. М., Введення в молекулярний спектральний аналіз, М. - Л.,1951;
4. Русанов А. К., Основи кількісного спектрального аналізу руд імінералів. М., 1971