Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716
Лекция 5. Спектры. Дисперсионный спектроскоп
жүктеу/скачать 1,12 Mb.
|
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы ко
test kaz 2014 fent, Илесова Шолпан 129-28 презентация
| Лекция 5.
Спектры. Дисперсионный спектроскоп Спектром называют совокупность простых волн, составляющих данное сложное излучение. Спектр, в котором имеются все длины волн, постепенно переходящие одна в другую, называется непрерывным, или сплошным. Подобные спектры изображены схематически (в черно-белом тоне) на рис. 5.1, поз. 5 и 9. Такие спектры имеют излучения раскаленных твердых и жидких тел, а также газов при высоком давлении. Монохроматическое излучение имеет спектр в виде одной узкой линии. Излучение, состоящее из нескольких монохроматических волн, дает линейчатый спектр. Линейчатые спектры характерны для излучения газов и паров металлов в атомарном состоянии. Например, пары натрия имеют в видимой части спектра две близко расположенные желтые линии (поз. 1 на рис. 5.1), водород — четыре линии: красную, голубую и две фиолетовых (поз. 2). В видимой части спектра паров ртути наиболее яркие линии: оранжевая, желтая, зеленая, голубая и фиолетовые (поз. 3). Длины волн, соответствующие этим линиям, указаны в таблице; Таблица 5.1. Длин волн в видимой части спектра.
Рисунок 5.1. Дисперсионный спектр. Если близко расположенные линии сливаются в более или менее широкие полосы, спектр называется полосатым. Такие спектры характерны для паров и газов в молекулярном состоянии, например излучение азота (поз. 4), паров иода и др. Спектры, образуемые излучением нагретых тел или излучением при электрическом разряде в атмосфере паров и газов, называются спектрами испускания, или эмиссионными. Основу приборов для исследования дисперсионных спектров составляет призма из прозрачного вещества с высокой дисперсией Рисунок 5.2. Призменный спектроскоп. (тяжелое стекло, кварц и др.). От дисперсии вещества призмы зависит относительная ширина спектральных линий, этим дисперсионный спектр отличается от дифракционного (ср. поз. 5 и 9 на рис. 5.2). Простейший призменный спектроскоп — двухтрубный (рис. 5.2, б), состоит и5 основания О, на котором укреплен горизонтальный диск Д с делениями. В центре диска расположена призма Я, а по краям — две трубы: коллиматор К и зрительная 3. Последняя может устанавливаться под необходимым углом с помощью винта В. Коллиматор (рис. 5.2, а) имеет на конце щель Щ, около которой помещается источник света: линза О1 образует пучок параллельных лучей, которые падают на призму П. Это необходимо для того, чтобы лучи, прошедшие через призму, состояли также из параллельных пучков, которые фокусируются объективом О2 зрительной трубы. После преломления на гранях призмы П лучи образуют пучки параллельных цветных лучей, каждый из которых направлен под несколько отличным углом. Пучки фокусируются объективом зрительной трубы в его фокальной плоскости FF' (см. рис. 5.2, а) и образуют каждый изображение щели соответствующего цвета, которое называется спектральной линией. Совокупность этих линий образует полный спектр исследуемого света, который наблюдается в увеличенном виде через окуляр Ок. С помощью спектроскопа исследуют состав спектра, т. е. устанавливают длины волн имеющихся в нем спектральных линий. Для этого спектроскоп предварительно градуируют, пользуясь источником с известным спектром, например ртутной лампой, т. е. определяют углы, под которыми надо расположить зрительную трубу, Рисунок 5.3. Трехтрубный спектроскоп и ход лучей. чтобы центрировать ее на ту или иную линию. По результатам строят график. Затем измеряют углы, под которыми надо установить трубу на те или иные линии исследуемого спектра, и по графику определяют соответствующую длину волны. Применяются также трехтрубные спектроскопы (рис. 5.3, б; ход лучей на рис. 5.3, а). В них имеется третья труба Т, с помощью которой в фокальной плоскости зрительной трубы проецируется прозрачная шкала N' с делениями. При градуировке спектроскопа отмечают деления этой шкалы, которым соответствуют спектральные линии известного источника. Затем по этой же шкале определяются длины волн исследуемых линий. При научных исследованиях спектры фотографируются. Для этого служит прибор, называемый спектрографом (рис. 5.4, а - общий вид, рис. 5.4, б - схема устройства). Свет через щель Д и линзу Лх, образующую пучок параллельных лучей, падает на дисперсионную призму П. Параллельные пучки спектрально разложенного света фокусируются линзой Л2 на фотопластинке Ф. Пользуясь спектральным прибором, можно получить монохроматический свет необходимой длины волны. Для этого в фокальной плоскости второй линзы Л2 помещают щелевую диафрагму, с помощью которой и выделяют из спектра желаемую линию. Такой прибор называется монохроматором. Если белый свет проходит сквозь какую-либо достаточно прозрачную среду, то некоторые из составляющих его простых волн могут поглощаться средой более интенсивно, чем другие, и тогда в сплошном спектре белого света в определенных местах появляются линии или полосы затемнения, характерные для данной среды. Совокупность темных линий или полос, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную прозрачную среду, называется ее спектром поглощения, или абсорбционным спектром. Более общее определение: спектром поглощения данной среды называется совокупность простых электромагнитных волн, поглощенных из белого света при прохождении его через эту среду. Рисунок 5.4. Спектрограф. Спектр поглощения отражает зависимость показателя поглощения данного вещества от частоты (длины волны) излучения. Для получения спектра поглощения в спектроскопе между источником белого света (например, электрической дугой) и щелью коллиматора помещается исследуемая среда, например плоскопараллельная кювета с исследуемым раствором. Пары или газы поглощают излучение тех же длин волн, которые они испускают в возбужденном состоянии (закон Кирхгофа). Такие спектры называются обращенными (см., например, спектр поглощения паров натрия — поз. 6 на рис. 5.1); на поз. 7 показан сплошной спектр испускания Солнца, на котором имеются темные линии (линии Фраунгофера) спектров поглощения паров и газов, составляющих его атмосферу. В качестве примера спектра поглощения вещества со сложной молекулой на поз. 8 рис. 5.1 показан спектр оксигемоглобина (раствор свежей артериальной крови в воде); в нем имеются две полосы затемнения в желтой и зеленой частях, а также широкая полоса в сине-фиолетовой части спектра. Спектры (как эмиссионный, так и абсорбционный) тесно связаны со строением атомов и молекул вещества. Поэтому по их характеру можно судить о природе и составе как простых, так и сложных веществ. Метод качественного или количественного (по интенсивности линий) определения состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Основное преимущество его в том, что для анализа требуется исключительно малое количество вещества. Путем спектрального анализа может быть обнаружено присутствие вещества в количестве до 10-8 г. С помощью спектрального анализа, например, было установлено, что живые организмы содержат в крайне незначительных количествах многие металлы — кобальт, хром, титан и др. Спектральный анализ позволяет установить следы крови (судебная медицина), микропримеси металлов в консервированных продуктах (пищевая гигиена и т. п.). Для исследования молекулярного состава органических веществ применяют абсорбционную спектроскопию, обычно при этом исследуемое вещество растворяют в воде, которая сама не дает спектра поглощения в области видимого света. С помощью абсорбционной спектроскопии был установлен молекулярный состав многих витаминов, гормонов и т. п. Ощущение цвета тела зависит от спектра излучения (в видимой его части), которое попадает в глаз при наблюдении тела. В случае самосветящихся тел спектр излучения зависит от природы тела, условий, вызывающих излучение, и т. д. Большая часть окружающих тел — несамосветящиеся (освещенные) тела. Они видимы только в отраженном или проходящем свете от постороннего источника. Тела, равномерно пропускающие любые волны видимого спектра, называются прозрачными, или бесцветными (таковы большинство газов, чистая вода или простое стекло в слое небольшой толщины и др.). Если тело равномерно и почти полностью поглощает все волны видимого спектра, оно называется черным (например, сажа, черный бархат и др.). Тела, диффузно и почти полностью отражающие все волны видимого спектра при падении на них белого света, представляются глазу белыми (окись магния, меловая бумага). Большинство тел неравномерно поглощают волны различной длины. У некоторых тел, поглощение происходит избирательно, т. е. в узком интервале частот или длин волн. Если на тело, избирательно поглощающее волны определенной длины, падает белый свет, то свет, отраженный или прошедший сквозь него, будет отличаться от белого и восприниматься глазом как цветной. Соответствующим цветом мы наделяем и само тело. Большое разнообразие пределов избирательного поглощения у различных веществ обусловливает то богатство и разнообразие цветов и красок, которое наблюдается в окружающем мире. Если падающий на непрозрачное тело свет по спектральному составу отличается от белого света, то эти тела изменяют привычный цвет. Например, в желто-зеленых лучах красная бумага наблюдается черной и т. д. Прозрачные, содержащие примесь красящего вещества стекла и пленки, пропускают свет только в узком спектральном интервале. Они называются светофильтрами и широко применяются на практике для получения достаточно монохроматического излучения. Литература: 2 осн. [397-402]. Контрольные вопросы. 1. Что такое спектр? 2. Перечислите виды спектров? 3. Что такое концентрационное колометрия? 4. Что такое спектральная линия? 5. Что такое черное тело? жүктеу/скачать 1,12 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|