Lämpösäteily ja luminesenssi.

Energiaa kulutettu valoisa runko säteilyä varten, voidaan täydentää eri lähteistä. Ilmassa hapettunut fosfori hehkuu aikana vapautuvasta energiasta johtuen kemiallinen muunnos. Tällaista valoa kutsutaan kemiluminesenssiksi. Hehku, joka tulee erilaisia tyyppejä riippumaton kaasupurkaus kutsutaan elektroluminesenssiksi. hehku kiinteät aineet Niiden elektronien pommituksen aiheuttamaa kutsutaan katodoluminesenssiksi. Tietyn sille ominaisen aallonpituuden omaavan kappaleen säteily λ 1 voi aiheutua tämän kappaleen säteilyttämisestä (tai sen aiemmin säteilyttämisestä) aallonpituudella λ 1 vähemmän kuin λ 2. Tällaiset prosessit yhdistetään nimellä fotoluminesenssi (Luminesenssia kutsutaan säteilyksi, joka ylittää kehon lämpösäteilyn tietyssä lämpötilassa ja jonka kesto ylittää merkittävästi emittoivien aaltojen ajanjakson. Luminesoivia aineita kutsutaan fosforeiksi. ).

Kuva 8. 1 Kemiluminesenssi

Kuva 8. 2 Fotoluminesenssi

Kuva 8. 3 Elektroluminesenssi.

Yleisin on ruumiiden hehku niiden kuumenemisesta. Tämän tyyppistä hehkua kutsutaan lämpösäteilyksi (tai lämpötilasäteilyksi). Lämpösäteilyä esiintyy missä tahansa lämpötilassa, mutta matalissa lämpötiloissa säteilee käytännössä vain pitkiä (infrapuna) sähkömagneettisia aaltoja.

Surround säteilevä keho läpäisemätön kuori, jossa on täydellisesti heijastava pinta (kuva).

Säteily, joka putoaa kehoon, absorboituu siihen (osittain tai kokonaan). Näin ollen kehon ja kuoren täyttävän säteilyn välillä tapahtuu jatkuvaa energianvaihtoa. Jos energian jakautuminen kehon ja säteilyn välillä pysyy muuttumattomana kullakin aallonpituudella, kehon säteilyjärjestelmän tila on tasapainossa. Kokemus osoittaa, että ainoa säteilytyyppi, joka voi olla tasapainossa säteilevien kappaleiden kanssa, on lämpösäteilyä. Kaikki muut säteilytyypit ovat epätasapainoisia.

Sitten sisäinen energia keho laskee, mikä johtaa lämpötilan laskuun. Tämä puolestaan vähentää kehon lähettämän energian määrää. Kehon lämpötila laskee, kunnes kehon säteilemän energian määrä kasvaa yhtä suuri kuin luku absorboitunutta energiaa. Jos tasapaino häiriintyy toiseen suuntaan, eli säteilevän energian määrä on pienempi kuin absorboitunut, kehon lämpötila nousee, kunnes tasapaino palautuu. Siten epätasapaino kehon säteilyjärjestelmässä aiheuttaa prosessien esiintymisen, jotka palauttavat tasapainon.

Tilanne on erilainen minkä tahansa luminesenssityypin tapauksessa. Osoitetaan tämä kemiluminesenssin esimerkillä. Niin kauan kuin säteilyn aiheuttava kemiallinen reaktio jatkuu, säteilevä kappale siirtyy yhä kauemmaksi alkuperäisestä tilastaan. Säteilyn imeytyminen kehoon ei muuta reaktion suuntaa, vaan päinvastoin johtaa nopeampaan (kuumenemisen vuoksi) reaktioon alkuperäisessä suunnassa. Tasapaino muodostuu vasta, kun koko reagoivien aineiden ja Luminesenssin määrä on käytetty loppuun.

ehdollinen kemiallisia prosesseja, korvataan lämpösäteilyllä.

Joten kaikista säteilytyypeistä vain lämpösäteily voi olla tasapainossa. Termodynamiikan lait pätevät tasapainotiloihin ja prosesseihin. Tästä syystä myös lämpösäteilyn täytyy totella joitakin yleisiä malleja jotka johtuvat termodynamiikan periaatteista. Käännymme näiden säännönmukaisuuksien pohtimiseen.

8.2 Kirchhoffin laki.

Otetaanpa esille joitain lämpösäteilyn ominaisuuksia.

Energian virtaus (mikä tahansa taajuus), säteilevän kappaleen pinnan yksikkö aikayksikköä kohti kaikkiin suuntiin(kiinteän kulman sisällä 4π), nimeltään kehon energian kirkkaus (R) [R] = W/m2 .

Säteily koostuu eritaajuisista (ν) aalloista. Merkitään energiavuo, jonka kehon yksikköpinta emittoi taajuusalueella ν - ν + dv kautta d R v. Sitten tässä lämpötilassa.

missä - spektritiheys energian kirkkaus, tai kehon emissiokyky .

Kokemus osoittaa, että kehon emissiokyky riippuu kehon lämpötilasta (jokaiselle lämpötilalle suurin säteily on omalla taajuusalueellaan). Ulottuvuus .

Kun tiedämme emissiivisuuden, voimme laskea energian kirkkaus:

Anna säteilyenergiavirran dФ pudota kehon pinnan alkeisalueelle sähkömagneettisten aaltojen vuoksi, joiden taajuudet sisältyvät väliin dν. Osa tästä virtauksesta imeytyy kehoon. Mitattomat

nimeltään kehon absorptiokyky . Se riippuu myös voimakkaasti lämpötilasta.

Määritelmän mukaan se ei voi olla suurempi kuin yksi. Keholle, joka absorboi täysin kaikkien taajuuksien säteilyä, . Sellaista ruumista kutsutaan aivan musta (tämä on idealisointi).

Keho, jota varten ja vähemmän kuin yksi kaikille taajuuksille,nimeltään harmaa vartalo (tämä on myös idealisointi).

Kehon säteilevän ja absorboivan kyvyn välillä on tietty suhde. Suoritetaan henkisesti seuraava koe.

Olkoon suljetun kuoren sisällä kolme ruumista. Kehot ovat tyhjiössä, joten energian vaihto voi tapahtua vain säteilyn vuoksi. Kokemus osoittaa, että jonkin ajan kuluttua tällainen järjestelmä tulee lämpötasapainon tilaan (kaikilla kappaleilla ja kuorella on sama lämpötila).

Tässä tilassa keho, jolla on suurempi säteilykapasiteetti, menettää aikayksikköä kohden ja enemmän energiaa, mutta siksi tällä keholla on myös oltava suurempi imukyky:

Gustav Kirchhoff muotoili vuonna 1856 laki ja ehdotti musta runkomalli .

Emissiivisuuden suhde absorptiokykyyn ei riipu kehon luonteesta, se on sama kaikille kappaleille.(yleismaailmallinen)taajuuden ja lämpötilan funktio.

missä f(- yleinen toiminto Kirchhoff.

Tällä funktiolla on universaali eli absoluuttinen luonne.

Suuret ja erikseen otettuna voivat muuttua erittäin voimakkaasti liikkuessaan kappaleesta toiseen, mutta niiden suhde jatkuvasti kaikille kehoille (tietyllä taajuudella ja lämpötilalla).

Absoluuttisesti mustalle kappaleelle =1 , joten sille f( , ts. Kirchhoffin universaali tehtävä ei ole muuta kuin täysin mustan vartalon loisto.

Luonnossa ei ole täysin mustia ruumiita. Noen tai platinamustan absorptiovoima on 1, mutta vain rajoitetulla taajuusalueella. Pienen aukon omaava onkalo on kuitenkin ominaisuuksiltaan hyvin lähellä täysin mustaa kappaletta. Sisään päässyt säde, useiden heijastusten jälkeen, absorboituu välttämättä, ja minkä tahansa taajuuden säde.

Tällaisen laitteen (ontelon) emissiokyky on hyvin lähellä f(ν ,T). Siten, jos ontelon seinät pidetään lämpötilassa T, silloin reiästä lähtevä säteily on hyvin lähellä spektrinen koostumus mustan kappaleen säteilylle samassa lämpötilassa.

Laajentamalla tätä säteilyä spektriksi voidaan löytää kokeellinen näkemys toimintoja f(ν ,T)(Kuva 1.3), jossa eri lämpötiloja T 3 > T 2 > T 1 .

Käyrän peittämä alue antaa mustan kappaleen energian kirkkauden sopivassa lämpötilassa.

Nämä käyrät ovat samat kaikille kehoille.

Käyrät ovat samanlaisia kuin molekyylien nopeusjakaumafunktio. Mutta siellä käyrien peittämät alueet ovat vakioita, kun taas täällä lämpötilan noustessa pinta-ala kasvaa merkittävästi. Tämä viittaa siihen, että energian yhteensopivuus riippuu suuresti lämpötilasta. Suurin säteily (emissiokyky) lämpötilan noustessa on siirtymässä kohti korkeampia taajuuksia.

Sähkömagneettisten aaltojen säteily kappaleilla (kappaleiden hehku) voidaan suorittaa erilaisten energiatyyppien vuoksi. Yleisin on lämpösäteily, eli kappaleiden sisäisestä energiasta johtuva sähkömagneettisten aaltojen emissio. Kaikki muut luminesenssityypit, joita virittää minkä tahansa tyyppinen energia, paitsi sisäinen (lämpö), yhdistetään yleinen nimi"luminesenssi".

Ilmassa hapettunut fosfori hehkuu kemiallisen muutoksen aikana vapautuvan energian vuoksi. Tällaista valoa kutsutaan kemiluminesenssiksi. Hehku, joka esiintyy kaasuissa ja kiinteissä aineissa vaikutuksen alaisena sähkökenttä kutsutaan elektroluminesenssiksi. Kiinteiden aineiden hehkua, joka aiheutuu niiden pommituksesta elektroneilla, kutsutaan katodoluminesenssiksi. Kehon absorboiman sähkömagneettisen säteilyn virittämää luminesenssia kutsutaan fotoluminesenssiksi.

Lämpösäteilyä esiintyy missä tahansa lämpötilassa, mutta matalissa lämpötiloissa säteilee käytännössä vain pitkiä (infrapuna) sähkömagneettisia aaltoja.

Ympäröikäämme säteilevä kappale täydellisesti heijastavalla pinnalla (kuva 1.1).

Poista ilma kuoresta. Kuoren heijastama säteily, joka putoaa kehoon, absorboituu siihen (osittain tai kokonaan). Näin ollen kehon ja kuoren täyttävän säteilyn välillä tapahtuu jatkuvaa energianvaihtoa. Jos energian jakautuminen kehon ja säteilyn välillä pysyy muuttumattomana kullakin aallonpituudella, kehon säteilyjärjestelmän tila on tasapainossa. Kokemus osoittaa, että ainoa säteilytyyppi, joka voi olla tasapainossa säteilevien kappaleiden kanssa, on lämpösäteily.

Kaikki muut säteilytyypit ovat epätasapainoisia.

Lämpösäteilyn kyky olla tasapainossa säteilevien kappaleiden kanssa johtuu siitä, että sen intensiteetti kasvaa lämpötilan noustessa. Oletetaan, että kehon ja säteilyn välinen tasapaino on häiriintynyt ja keho lähettää enemmän energiaa kuin se absorboi. Sitten kehon sisäinen energia laskee, mikä johtaa lämpötilan laskuun. Tämä puolestaan vähentää kehon lähettämän energian määrää. Kehon lämpötila laskee, kunnes kehon lähettämän energian määrä on yhtä suuri kuin absorboituneen energian määrä. Jos tasapaino häiriintyy toiseen suuntaan, eli säteilevän energian määrä on pienempi kuin absorboitunut, kehon lämpötila nousee, kunnes tasapaino palautuu. Siten epätasapaino kehon säteilyjärjestelmässä aiheuttaa prosessien esiintymisen, jotka palauttavat tasapainon.

Luminesenssin tapauksessa tilanne on toinen. Osoitetaan tämä kemiluminesenssin esimerkillä. Niin kauan kuin ehdollista säteilyä virtaa kemiallinen reaktio, säteilevä kappale siirtyy yhä kauemmaksi alkuperäisestä tilastaan. Säteilyn imeytyminen kehoon ei muuta reaktion suuntaa, vaan päinvastoin johtaa nopeampaan (kuumenemisen vuoksi) reaktioon alkuperäisessä suunnassa. Tasapaino syntyy vasta, kun koko reagoivien aineiden määrä on käytetty loppuun ja kemiallisten prosessien aiheuttama luminesenssi korvataan lämpösäteilyllä.

Joten kaikista säteilytyypeistä vain lämpösäteily voi olla tasapainossa. Vastaanottaja tasapainotilat ja prosessit soveltavat termodynamiikan lakeja. Siksi lämpösäteilyn on noudatettava tiettyjä termodynamiikan periaatteista johtuvia yleisiä lakeja. Käännymme näiden säännönmukaisuuksien pohtimiseen.

elektromagneettinen säteily. Sovellusmenetelmät spektrianalyysi.

Säteilyenergia.

Valonlähteen tulee kuluttaa energiaa. Valo on sähkömagneettisia aaltoja, joiden aallonpituus on 4 10-7 - 8 10-7 m. Elektromagneettiset aallot lähetetään klo nopea liike varautuneita hiukkasia. Nämä varautuneet hiukkaset ovat osa atomeja. Mutta tietämättä kuinka atomi on järjestetty, säteilyn mekanismista ei voida sanoa mitään luotettavaa. On vain selvää, että atomin sisällä ei ole valoa, aivan kuten ei ole ääntä pianon kielessä. Kuten kieli, joka alkaa soida vasta vasaran iskun jälkeen, atomit synnyttävät valoa vasta kiihtyessään.
Jotta atomi voisi säteillä, sen on siirrettävä energiaa. Säteilemällä atomi menettää vastaanottamansa energian, ja aineen jatkuvalle hehkulle tarvitaan energian virtaus sen atomeihin ulkopuolelta.

Lämpösäteily. Yksinkertaisin ja yleisin säteilytyyppi on lämpösäteily, jossa atomien energiahäviöt valon lähettämiseksi kompensoidaan energialla. lämpöliikettä säteilevän kappaleen atomeja tai (molekyylejä).
AT alku XIX sisään. havaittiin, että spektrin punaisen osan yläpuolella (aallonpituudella). näkyvä valo spektrin infrapunaosa on silmälle näkymätön, ja näkyvän valon spektrin violetin osan alapuolella on spektrin näkymätön ultraviolettiosa.
Aallonpituudet infrapunasäteily ovat sisällä 3 10-4 - 7,6 10-7 m. tyypillinen ominaisuus tämä säteily on sen lämpövaikutus. Infrapunasäteiden lähde on mikä tahansa keho. Tämän säteilyn voimakkuus on sitä korkeampi, mitä korkeampi kehon lämpötila on. Mitä korkeampi kehon lämpötila, sitä nopeammin atomit liikkuvat. Kun nopeat atomit (molekyylit) törmäävät toisiinsa, osa niiden kineettisestä energiasta muuttuu atomien viritysenergiaksi, joka sitten säteilee valoa.

Infrapunasäteilyä tutkitaan lämpöparien ja bolometrien avulla. Pimeänäkölaitteiden toimintaperiaate perustuu infrapunasäteilyn käyttöön.
Säteilyn lämmönlähde on aurinko, samoin kuin tavallinen hehkulamppu. Lamppu on erittäin kätevä, mutta epätaloudellinen lähde. Vain noin 12 % lampun kokonaisenergiasta sähköisku, muunnetaan valoenergiaksi. Valon lämmönlähde on liekki. Nokijyvät lämpenevät polttoaineen palamisen aikana vapautuvan energian vaikutuksesta ja säteilevät valoa.

Elektroluminesenssi. Atomien valon lähettämiseen tarvitsema energia voidaan lainata myös muista kuin lämpölähteistä. Purkautuessaan kaasuihin sähkökenttä ilmoittaa elektroneille suuremmasta kineettinen energia. Nopeat elektronit kokevat törmäyksiä atomien kanssa. Osa elektronien kineettisestä energiasta menee atomien virittymiseen. Innostuneet atomit luovuttaa energiaa valoaaltojen muodossa. Tästä johtuen kaasun purkaukseen liittyy hehku. Tämä on elektroluminesenssia.

katodiluminesenssi. Kiinteiden aineiden hehkua, joka aiheutuu niiden pommituksesta elektroneilla, kutsutaan katodoluminesenssiksi. Katodisädeputkien näytöt hehkuvat katodiluminesenssin vuoksi.

Kemiluminesenssi. Joissakin kemiallisissa reaktioissa, jotka vapauttavat energiaa, osa tästä energiasta käytetään suoraan valon lähettämiseen. Valonlähde pysyy kylmänä (sillä on lämpötila ympäristöön). Tätä ilmiötä kutsutaan kemiluminesenssiksi.

Fotoluminesenssi. Aineen päälle tuleva valo osittain heijastuu ja osittain absorboituu. Absorboituneen valon energia aiheuttaa useimmissa tapauksissa vain kappaleiden kuumenemisen. Jotkut kehot itse alkavat kuitenkin hehkua suoraan niihin kohdistuvan säteilyn vaikutuksesta. Tämä on fotoluminesenssia.

Valo kiihottaa aineen atomeja (lisää niiden sisäistä energiaa), minkä jälkeen ne korostuvat itsestään. Esimerkiksi valovoimaiset maalit, jotka peittävät monia joulukoristeita, säteilevät valoa säteilytyksen jälkeen. Kiinteiden aineiden fotoluminesenssi sekä erityinen tarkoitus- (yleistetty) loisteaine, voi olla paitsi näkyvällä, myös ultravioletti- ja infrapuna-alueella. Fotoluminesenssin aikana säteilevän valon aallonpituus on yleensä pidempi kuin hehkua herättävällä valolla. Tämä voidaan havaita kokeellisesti. Jos violetin valosuodattimen läpi kulkeva valonsäde suunnataan astiaan, jossa on fluoresoiva (orgaaninen väriaine), niin tämä neste alkaa hehkua vihreänkeltaisella valolla, eli valolla, jonka aallonpituus on pidempi kuin violetin valon.
Fotoluminesenssin ilmiötä käytetään laajalti loistelampuissa. Neuvostoliiton fyysikko S. I. Vavilov ehdotti kattamaan sisäpinta purkausputki aineilla, jotka voivat hehkua kirkkaasti kaasupurkauksen lyhytaaltosäteilyn vaikutuksesta.

Energian jakautuminen spektrissä.

Mikään lähteistä ei anna monokromaattista valoa, toisin sanoen valoa, jonka aallonpituus on tiukasti määritelty. Tästä olemme vakuuttuneita kokeista valon hajottamiseksi spektriksi prisman avulla sekä interferenssi- ja diffraktiokokeista.
Lähteestä tulevan valon mukanaan tuoma energia jakautuu tietyllä tavalla kaikkien valonsäteen muodostavien aallonpituuksien aaltojen yli. Voimme myös sanoa, että energia jakautuu taajuuksille, koska aallonpituuden ja taajuuden välillä on yksinkertainen suhde: ђv = c.
Sähkömagneettisen säteilyn vuotiheys tai intensiteetti määräytyy kaikille taajuuksille kuuluvan energian mukaan. Säteilyn taajuuksien jakautumisen karakterisoimiseksi sinun on otettava käyttöön uusi arvo: intensiteetti yksikkötaajuusväliä kohti. Tätä arvoa kutsutaan säteilyn intensiteetin spektritiheydeksi.

Silmään ei voi luottaa energian jakautumista arvioitaessa. Silmällä on valikoiva valoherkkyys: sen herkkyyden maksimi on spektrin kelta-vihreällä alueella. On parasta hyödyntää mustan kappaleen ominaisuutta absorboida lähes täysin kaikkien aallonpituuksien valo. Tässä tapauksessa säteilyn (eli valon) energia aiheuttaa kehon kuumenemisen. Siksi riittää mitata kehon lämpötila ja arvioida sen avulla aikayksikköä kohden imeytyneen energian määrä.
Tavallinen lämpömittari on liian herkkä käytettäväksi menestyksekkäästi tällaisissa kokeissa. Tarvitaan herkempiä lämpötilanmittauslaitteita. Voit ottaa sähköisen lämpömittarin, jossa anturielementti valmistettu ohuen metallilevyn muodossa. Tämä levy on peitettävä ohuella nokikerroksella, joka imee lähes kokonaan valon minkä tahansa aallonpituuden mukaan.
Laitteen lämpöherkkä levy tulee sijoittaa johonkin paikkaan spektrissä. Kaikki näkyvä spektri pituus l punaisista säteistä violettiin vastaa taajuusaluetta IR:stä UV:hen. Leveys vastaa pientä väliä Av. Kuumentamalla laitteen mustaa levyä voidaan arvioida tiheys säteilyvirta taajuusväliä kohti Av. Siirtämällä levyä spektriä pitkin huomaamme sen suurin osa energia putoaa spektrin punaiselle osalle, ei kelta-vihreälle, kuten silmästä näyttää.
Näiden kokeiden tulosten perusteella on mahdollista piirtää säteilyn intensiteetin spektritiheyden riippuvuus taajuudesta. Säteilyvoimakkuuden spektritiheys määräytyy levyn lämpötilan mukaan, eikä taajuutta ole vaikea löytää, jos valon hajottamiseen käytetty laite on kalibroitu, eli jos tiedetään, mitä taajuutta kyseinen spektrin osa vastaa. to.
Piirretään abskissa-akselia pitkin Av-välien keskipisteitä vastaavien taajuuksien arvot ja ordinaatta-akselilla säteilyn intensiteetin spektritiheys, saadaan sarja pisteitä, joiden läpi voidaan piirtää tasainen käyrä. Tämä käyrä antaa visuaalisen esityksen energian jakautumisesta ja valokaaren spektrin näkyvästä osasta.

Spektrityypit.

Säteilyn spektrikoostumus erilaisia aineita hyvin vaihteleva. Mutta tästä huolimatta kaikki spektrit, kuten kokemus osoittaa, voidaan jakaa kolmeen tyyppiin, jotka eroavat toisistaan.

Jatkuvat spektrit.

Auringon spektri tai kaarivalospektri on jatkuva. Tämä tarkoittaa, että kaikki aallonpituudet ovat edustettuina spektrissä. Spektrissä ei ole epäjatkuvuutta, ja spektrografin näytössä näkyy jatkuva monivärinen nauha.
Energian jakautuminen taajuuksille, eli säteilyn intensiteetin spektritiheys, erilaisia ruumiita eri. Esimerkiksi kappale, jonka pinta on hyvin musta, lähettää sähkömagneettisia aaltoja kaikilla taajuuksilla, mutta säteilyn intensiteetti-taajuuskäyrän spektritiheydellä on maksimi tietyllä taajuudella. Hyvin pienistä ja erittäin korkeista taajuuksista johtuva säteilyenergia on mitätön. Lämpötilan noustessa säteilyn maksimispektritiheys siirtyy kohti lyhyitä aaltoja.
Jatkuvat (tai jatkuvat) spektrit, kuten kokemus osoittaa, antavat kappaleita, jotka ovat kiinteässä tai nestemäinen tila ja erittäin paineistetut kaasut. Jatkuvan spektrin saamiseksi sinun on lämmitettävä keho korkeaan lämpötilaan.
Jatkuvan spektrin luonteen ja sen olemassaolon tosiasian määräävät paitsi yksittäisten säteilevien atomien ominaisuudet, myös vahva tutkinto riippuu atomien vuorovaikutuksesta keskenään.
Jatkuva spektri tuottaa myös korkean lämpötilan plasman. Plasma lähettää sähkömagneettisia aaltoja pääasiassa elektronien törmääessä ioneihin.

Viivaspektrit.

Laitetaan kaasupolttimen vaaleaan liekkiin asbestipala, joka on kostutettu tavallisella liuoksella pöytäsuola. Tarkasteltaessa liekkiä spektroskoopin läpi, kirkkaan keltainen viiva välähtää liekin tuskin erottuvan jatkuvan spektrin taustalla. Tämän keltaisen viivan antaa natriumhöyry, joka muodostuu natriumkloridimolekyylien hajoamisen aikana liekissä. Spekroskoopissa näkyy myös värikkäiden viivojen palisadi, joiden kirkkaus vaihtelee ja joita erottavat leveät tummat nauhat. Tällaisia spektrejä kutsutaan viivaspektreiksi. Viivaspektrin olemassaolo tarkoittaa, että aine emittoi valoa vain melko tietyillä aallonpituuksilla (tarkemmin sanottuna tietyillä hyvin kapeilla spektriväleillä). Jokaisella viivalla on rajallinen leveys.
Viivaspektrit esiintyvät vain atomitilassa olevissa aineissa (mutta ei molekyylisissä). Tässä tapauksessa valoa säteilevät atomit, jotka eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tämä on perustavanlaatuisin, perustyyppinen spektri. Viivaspektrien pääominaisuus on, että tietyn kemiallisen alkuaineen eristetyt atomit emittoivat tiukasti määriteltyjä, toistumattomia aallonpituuksia. Kaksi erilaisia elementtejä ei ole olemassa yhtä aallonpituuksien sarjaa. Spektrinauhat näkyvät spektriinstrumentin lähdössä lähteestä emittoiman aallonpituuden sijasta. Yleensä viivaspektrien tarkkailuun käytetään liekissä olevan aineen höyryjen hehkua tai tutkittavalla kaasulla täytetyssä putkessa olevan kaasupurkauksen hehkua.
Kun atomikaasun tiheys kasvaa, yksilö spektriviivoja laajentaa ja lopuksi erittäin korkea tiheys kaasu, kun atomien vuorovaikutus tulee merkittäväksi, nämä viivat menevät päällekkäin muodostaen jatkuvan spektrin.

Raidalliset spektrit.

Raidallinen spektri koostuu yksittäisistä vyöhykkeistä, joita erottavat tummat rakot. Erittäin hyvän spektrilaitteiston avulla voidaan havaita, että jokainen kaista on kokoelma suuri numero hyvin tiiviit rivit. Toisin kuin viivaspektrit, raidalliset spektrit eivät synny atomeista, vaan molekyyleistä, jotka eivät ole sitoutuneita tai heikosti sitoutuneita. sidottu ystävä ystävän kanssa.
Molekyylispektrien sekä viivaspektrien tarkkailuun käytetään yleensä höyryjen hehkua liekissä tai kaasupurkauksen hehkua.

Emissio- ja absorptiospektrit.

Kaikki aineet, joiden atomit ovat viritetyssä tilassa, emittoivat kevyet aallot, jonka energia jakautuu tietyllä tavalla aallonpituuksille. Aineen valon absorptio riippuu myös aallonpituudesta. Joten punainen lasi lähettää punaista valoa vastaavat aallot (l»8 10-5 cm) ja absorboi kaiken muun.
Jos ohittaa valkoinen valo kylmän, säteilemättömän kaasun läpi, lähteen jatkuvan spektrin taustaa vasten ilmestyy tummia viivoja. Kaasu absorboi voimakkaimmin juuri niiden aallonpituuksien valoa, jotka se lähettää erittäin kuumana. Tummat viivat jatkuvan spektrin taustalla ovat absorptioviivoja, jotka yhdessä muodostavat absorptiospektrin.
On olemassa jatkuvia, viiva- ja raidallisia emissiospektrejä ja sama määrä absorptiospektrejä.

Spektrianalyysi ja sen soveltaminen.

On tärkeää tietää, mistä kehomme ympärillämme on tehty. Niiden koostumuksen määrittämiseksi on keksitty monia menetelmiä. Mutta tähtien ja galaksien koostumus voidaan tietää vain spektrianalyysin avulla.

Menetelmää aineen kvalitatiivisen ja kvantitatiivisen koostumuksen määrittämiseksi sen spektrin perusteella kutsutaan spektrianalyysiksi. Spektrianalyysiä käytetään laajalti mineraalien etsinnässä malminäytteiden kemiallisen koostumuksen määrittämiseen. Teollisuudessa spektrianalyysi mahdollistaa metalliseosten ja metallien sisältämien epäpuhtauksien koostumuksien säätelyn haluttujen ominaisuuksien omaavien materiaalien saamiseksi. Linjaspektrit pelaavat erityisesti tärkeä rooli, koska niiden rakenne liittyy suoraan atomin rakenteeseen. Loppujen lopuksi nämä spektrit ovat atomien luomia, jotka eivät koe ulkoisia vaikutuksia. Siksi viivaspektreihin tutustumalla otamme siten ensimmäisen askeleen kohti atomien rakenteen tutkimista. Tarkkailemalla näitä spektrejä tutkijat pystyivät "katsomaan" atomin sisään. Tässä optiikka on läheisessä kosketuksessa atomifysiikan kanssa.
Viivaspektrien pääominaisuus on, että aineen viivaspektrin aallonpituudet (tai taajuudet) riippuvat vain tämän aineen atomien ominaisuuksista, mutta ovat täysin riippumattomia atomien luminesenssin herätemenetelmästä. Minkä tahansa kemiallisen alkuaineen atomit antavat spektrin, toisin kuin kaikkien muiden alkuaineiden spektrit: ne pystyvät lähettämään tiukasti määritellyn aallonpituuksien sarjan.
Spektrianalyysi perustuu tähän - menetelmään aineen kemiallisen koostumuksen määrittämiseksi sen spektristä.

Kuten ihmisen sormenjäljet viivaspektrit on ainutlaatuinen persoonallisuus. Sormen iholla olevien kuvioiden ainutlaatuisuus auttaa usein löytämään rikollisen. Samalla tavalla spektrien yksilöllisyyden vuoksi on mahdollista määrittää kemiallinen koostumus kehon. Spektrianalyysin avulla voit havaita tämän elementin koostumuksessa monimutkainen aine, vaikka sen massa ei ylitä 10-10. Tämä on erittäin herkkä menetelmä.
Aineen viivaspektrin tutkiminen mahdollistaa sen määrittämisen, mistä kemiallisia alkuaineita se koostuu ja kuinka paljon kutakin alkuainetta tässä aineessa on.
Alkuaineen kvantitatiivinen sisältö tutkittavassa näytteessä määritetään vertaamalla tämän alkuaineen spektrin yksittäisten juovien intensiteettiä toisen kemiallisen alkuaineen viivojen intensiteettiin, jonka määrällinen pitoisuus näytteessä on tiedossa.
Aineen koostumuksen kvantitatiivinen analyysi sen spektrin perusteella on vaikeaa, koska spektriviivojen kirkkaus ei riipu pelkästään aineen massasta, vaan myös hehkun herätemenetelmästä. Kyllä, klo matalat lämpötilat monet spektriviivat eivät näy ollenkaan. Luminesenssin virityksen standardiolosuhteissa voidaan kuitenkin suorittaa myös kvantitatiivinen spektrianalyysi.
Spektrianalyysin edut ovat yliherkkyys ja tulosten nopeus. Spektrianalyysin avulla on mahdollista havaita kullan esiintyminen näytteestä, jonka paino on 6 10-7 g, kun sen massa on vain 10-8 g Teräslaadun määritys spektrianalyysillä voidaan suorittaa useissa kymmenissä sekunneista.
Spektrianalyysin avulla voit määrittää kemiallisen koostumuksen taivaankappaleet miljardien valovuosien päässä Maasta. Planeettojen ja tähtien ilmakehän, kylmän kaasun kemiallinen koostumus tähtienvälisessä avaruudessa määräytyy absorptiospektreillä.
Spekrejä tutkimalla tiedemiehet pystyivät määrittämään taivaankappaleiden kemiallisen koostumuksen lisäksi myös niiden lämpötilan. Spektriviivojen siirtymän avulla voidaan määrittää taivaankappaleen nopeus.

Tällä hetkellä kaikkien atomien spektrit on määritetty ja spektritaulukot on koottu. Spektrianalyysin avulla löydettiin monia uusia alkuaineita: rubidium, cesium jne. Elementeille annettiin usein nimiä spektrin voimakkaimpien viivojen värin mukaan. Rubidium antaa tummanpunaisia, rubiiniviivoja. Sana cesium tarkoittaa "taivaansinistä". Tämä on cesiumspektrin päälinjojen väri.
He oppivat Auringon ja tähtien kemiallisen koostumuksen spektrianalyysin avulla. Muut analyysimenetelmät ovat yleensä mahdottomia tässä. Kävi ilmi, että tähdet koostuvat samoista kemiallisista alkuaineista kuin maapallolla. On kummallista, että helium löydettiin alun perin auringosta ja vasta sitten maan ilmakehästä. Tämän elementin nimi muistuttaa sen löytöhistoriasta: sana helium tarkoittaa käännöksessä "aurinkoinen".
Suhteellisen yksinkertaisuutensa ja monipuolisuutensa vuoksi spektrianalyysi on pääasiallinen menetelmä aineen koostumuksen seurantaan metallurgiassa, koneenrakennuksessa ja ydinteollisuudessa. Spektrianalyysin avulla määritetään malmien ja mineraalien kemiallinen koostumus.
Monimutkaisten, pääasiassa orgaanisten seosten koostumus analysoidaan niiden molekyylispektrien perusteella.
Spektrianalyysi voidaan suorittaa paitsi emissiospektreistä myös absorptiospektreistä. Auringon ja tähtien spektrin absorptioviivat mahdollistavat näiden taivaankappaleiden kemiallisen koostumuksen tutkimisen. Auringon kirkkaasti valoisa pinta - fotosfääri - antaa jatkuvan spektrin. aurinkoinen ilmapiiri absorboi valikoivasti valoa fotosfääristä, mikä johtaa absorptioviivojen esiintymiseen fotosfäärin jatkuvan spektrin taustalla.
Mutta itse Auringon ilmakehä säteilee valoa. Aikana auringonpimennyksiä, kun aurinkolevy Kuun sulkema spektrin linjat ovat käänteisiä. Auringon spektrin absorptioviivojen sijaan emissioviivat vilkkuvat.
Astrofysiikassa spektrianalyysillä ei ymmärretä ainoastaan tähtien, kaasupilvien jne. kemiallista koostumusta, vaan myös monia muita fyysiset ominaisuudet nämä kohteet: lämpötila, paine, nopeus, magneettinen induktio.
Astrofysiikan lisäksi spektrianalyysiä käytetään laajalti rikosteknisissä rikospaikalta löydettyjen todisteiden tutkimiseen. Myös rikoslääketieteen spektrianalyysi auttaa murhaaseen määrittämisessä ja yleensä paljastamaan rikoksen yksityiskohtia.
Spektrianalyysiä käytetään lääketieteessä entistä laajemmin. Tässä sen sovellus on erittäin laaja. Sitä voidaan käyttää diagnosointiin sekä vieraiden aineiden määrittämiseen ihmiskehossa.
Spektrianalyysi vaatii erityisiä spektrilaitteita, joita tarkastelemme tarkemmin.

Spektrilaitteet.

Tarkkaa spektrien tutkimista varten sellaiset yksinkertaiset laitteet, kuten valonsädettä rajoittava kapea rako ja prisma, eivät enää riitä. Tarvitaan instrumentteja, jotka antavat selkeän spektrin, eli instrumentteja, jotka erottavat aallot hyvin eri pituuksia ja ei-päällekkäisiä yksittäisiä osia spektri. Tällaisia laitteita kutsutaan spektrilaitteiksi. Useimmiten spektrilaitteiston pääosa on prisma tai diffraktiohila.
Harkitse prismaspektrilaitteen laitteen kaaviota. Tutkittu säteily tulee ensin laitteen kollimaattoriksi kutsuttuun osaan. Kollimaattori on putki, jonka toisessa päässä on näyttö, jossa on kapea rako, ja toisessa - suppeneva linssi. Väli on päällä polttoväli objektiivista. Siksi raosta linssiin tuleva divergentti valonsäde poistuu siitä yhdensuuntaisena säteenä ja putoaa prismaan.
Koska eri taajuuksilla vastaavat erilaisia taitekertoimia, silloin prismasta nousevat rinnakkaiset säteet, jotka eivät ole samat suuntaisesti. Ne putoavat linssiin. Tämän objektiivin polttovälillä on näyttö - himmeä lasi tai valokuvalevy. Linssi fokusoi yhdensuuntaiset säteet näytölle, ja yhden raon kuvan sijaan koko rivi kuvia. Jokaisella taajuudella (kapea spektriväli) on oma kuvansa. Kaikki nämä kuvat yhdessä muodostavat spektrin.
Kuvattua laitetta kutsutaan spektrografiksi. Jos spektrien visuaaliseen havainnointiin käytetään toisen linssin ja näytön sijasta kaukoputkea, niin laitetta kutsutaan spektroskoopiksi. Prismat ja muut spektrilaitteiden yksityiskohdat eivät välttämättä ole lasia. Lasin sijasta käytetään myös läpinäkyviä materiaaleja, kuten kvartsia, vuorisuolaa jne.

Johdanto ……………………………………………………………………………………….2

Säteilymekanismi…………………………………………………………………………..3

Energian jakautuminen spektrissä…………………………………………………………….4

Spektrityypit………………………………………………………………………………….6

Spektrianalyysin tyypit…………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………….

Johtopäätös…………………………………………………………………………………..9

Kirjallisuus…………………………………………………………………………………….11

Johdanto

Spektri on valon hajoamista sen komponenttiosiksi, erivärisiksi säteiksi.

Menetelmää tutkia eri aineiden kemiallista koostumusta niiden viivaemissio- tai absorptiospektreillä on ns. spektrianalyysi. Spektrianalyysi vaatii mitättömän määrän ainetta. Nopeus ja herkkyys tekivät tästä menetelmästä välttämättömän sekä laboratorioissa että astrofysiikassa. Koska jokainen jaksollisen järjestelmän kemiallinen elementti emittoi vain sille ominaisen viivaemissio- ja absorptiospektrin, tämä mahdollistaa aineen kemiallisen koostumuksen tutkimisen. Fyysikot Kirchhoff ja Bunsen yrittivät tehdä sen ensimmäisen kerran vuonna 1859 rakentaessaan spektroskooppi. Valo johdettiin siihen kapeasta raosta, joka oli leikattu kaukoputken yhdestä reunasta (tätä raolla varustettua putkea kutsutaan kollimaattoriksi). Kollimaattorista säteet putosivat prismaan, joka oli peitetty mustalla paperilla liimatulla laatikolla. Prisma ohjasi sivulle säteet, jotka tulivat ulos raosta. Siellä oli spektri. Sen jälkeen ikkuna ripustettiin verholla ja kollimaattorin aukkoon asetettiin sytytetty poltin. Erilaisten aineiden paloja tuotiin yksitellen kynttilän liekkiin, ja ne katsoivat toisen kaukoputken läpi tuloksena olevaa spektriä. Kävi ilmi, että kunkin elementin kuumat höyryt antoivat tiukasti määritellyn värin säteitä, ja prisma ohjasi nämä säteet tiukasti määriteltyyn paikkaan, joten mikään väri ei voinut peittää toista. Tämä johti johtopäätökseen, että oli löydetty radikaalisti uusi kemiallinen analyysimenetelmä - aineen spektrin perusteella. Vuonna 1861 Kirchhoff osoitti tämän löydön perusteella, että auringon kromosfäärissä on useita alkuaineita, mikä loi perustan astrofysiikalle.

Säteilymekanismi

Valonlähteen tulee kuluttaa energiaa. Valo on sähkömagneettisia aaltoja, joiden aallonpituus on 4 * 10 -7 - 8 * 10 -7 m. Sähkömagneettisia aaltoja säteilee varautuneiden hiukkasten kiihdytetyn liikkeen aikana. Nämä varautuneet hiukkaset ovat osa atomeja. Mutta tietämättä kuinka atomi on järjestetty, säteilyn mekanismista ei voida sanoa mitään luotettavaa. On vain selvää, että atomin sisällä ei ole valoa, aivan kuten ei ole ääntä pianon kielessä. Kuten kieli, joka alkaa soida vasta vasaran iskun jälkeen, atomit synnyttävät valoa vasta kiihtyessään.

Jotta atomi voisi säteillä, sen on siirrettävä energiaa. Säteilemällä atomi menettää vastaanottamansa energian, ja aineen jatkuvalle hehkulle tarvitaan energian virtaus sen atomeihin ulkopuolelta.

Lämpösäteily. Yksinkertaisin ja yleisin säteilytyyppi on lämpösäteily, jossa atomien energiahäviö valon lähettämiseksi kompensoidaan säteilevän kappaleen atomien tai (molekyylien) lämpöliikkeen energialla. Mitä korkeampi kehon lämpötila, sitä nopeammin atomit liikkuvat. Kun nopeat atomit (molekyylit) törmäävät toisiinsa, osa niiden kineettisestä energiasta muuttuu atomien viritysenergiaksi, joka sitten säteilee valoa.

Säteilyn lämmönlähde on aurinko, samoin kuin tavallinen hehkulamppu. Lamppu on erittäin kätevä, mutta epätaloudellinen lähde. Vain noin 12 % kaikesta lampussa sähkövirrasta vapautuvasta energiasta muuttuu valoenergiaksi. Valon lämmönlähde on liekki. Nokijyvät lämpenevät polttoaineen palamisen aikana vapautuvan energian vaikutuksesta ja säteilevät valoa.

Elektroluminesenssi. Atomien valon lähettämiseen tarvitsema energia voidaan lainata myös muista kuin lämpölähteistä. Kaasuissa purkautuessaan sähkökenttä välittää suuren kineettisen energian elektroneille. Nopeat elektronit kokevat törmäyksiä atomien kanssa. Osa elektronien kineettisestä energiasta menee atomien virittymiseen. Kiihtyneet atomit luovuttavat energiaa valoaaltojen muodossa. Tästä johtuen kaasun purkaukseen liittyy hehku. Tämä on elektroluminesenssia.

katodiluminesenssi. Kiinteiden aineiden hehkua, joka aiheutuu niiden pommituksesta elektroneilla, kutsutaan katodoluminesenssiksi. Katodiluminesenssi saa televisioiden katodisädeputkien näytöt hehkumaan.

Kemiluminesenssi. Joissakin kemiallisissa reaktioissa, jotka vapauttavat energiaa, osa tästä energiasta käytetään suoraan valon lähettämiseen. Valonlähde pysyy kylmänä (sillä on ympäristön lämpötila). Tätä ilmiötä kutsutaan kemoluminesenssiksi.

Fotoluminesenssi. Aineen päälle tuleva valo osittain heijastuu ja osittain absorboituu. Absorboituneen valon energia aiheuttaa useimmissa tapauksissa vain kappaleiden kuumenemisen. Jotkut kehot itse alkavat kuitenkin hehkua suoraan niihin kohdistuvan säteilyn vaikutuksesta. Tämä on fotoluminesenssia. Valo kiihottaa aineen atomeja (lisää niiden sisäistä energiaa), minkä jälkeen ne korostuvat itsestään. Esimerkiksi valovoimaiset maalit, jotka peittävät monia joulukoristeita, säteilevät valoa säteilytyksen jälkeen.

Fotoluminesenssin aikana säteilevän valon aallonpituus on yleensä pidempi kuin hehkua herättävällä valolla. Tämä voidaan havaita kokeellisesti. Jos suuntaat valonsäteen astiaan, jossa on fluoreskeiittiä (orgaaninen väriaine),

läpäisee violetin valosuodattimen, silloin tämä neste alkaa hehkua vihreänkeltaisella valolla, eli valolla, jonka aallonpituus on pidempi kuin violetin valon.

Fotoluminesenssin ilmiötä käytetään laajalti loistelampuissa. Neuvostoliiton fyysikko S.I. Vavilov ehdotti purkausputken sisäpinnan peittämistä aineilla, jotka pystyvät hehkumaan kirkkaasti kaasupurkauksen lyhytaaltosäteilyn vaikutuksesta. Loistelamput ovat noin kolme-neljä kertaa taloudellisempia kuin perinteiset hehkulamput.

Pääasialliset säteilytyypit ja niitä luovat lähteet on lueteltu. Yleisimmät säteilylähteet ovat lämpö.

Energian jakautuminen spektrissä

Taiteprisman takana olevalla näytöllä spektrin monokromaattiset värit on järjestetty seuraavaan järjestykseen: punainen (jolla on suurin aallonpituus näkyvän valon aalloista (k = 7,6 (10-7 m ja pienin taitekerroin),) oranssi, keltainen, vihreä, sininen, sininen ja violetti (näkyvän spektrin pienin aallonpituus (f = 4 (10-7 m ja suurin taitekerroin).) Mikään lähteistä ei anna monokromaattista valoa, toisin sanoen tiukasti määriteltyä valoa Olemme vakuuttuneita tästä kokeilla valon hajottamiseksi spektriksi prisman avulla sekä kokeilla interferenssillä ja diffraktiolla.

Lähteestä tulevan valon mukanaan tuoma energia jakautuu tietyllä tavalla kaikkien valonsäteen muodostavien aallonpituuksien aaltojen yli. Voimme myös sanoa, että energia jakautuu taajuuksille, koska aallonpituuden ja taajuuden välillä on yksinkertainen suhde: v = c.

Sähkömagneettisen säteilyn vuotiheys eli intensiteetti / määräytyy kaikille taajuuksille kuuluvan energian &W:n mukaan. Säteilyn taajuuksien jakautumisen karakterisoimiseksi on tarpeen ottaa käyttöön uusi arvo: intensiteetti yksikkötaajuusväliä kohti. Tätä arvoa kutsutaan säteilyn intensiteetin spektritiheydeksi.

Säteilyvuon spektritiheys voidaan löytää kokeellisesti. Tätä varten sinun on käytettävä prismaa saadaksesi emissiospektri, esimerkiksi sähkökaari, ja mittaa säteilyvuon tiheys pienillä spektriväleillä, joiden leveys on Av.

Tavallinen lämpömittari on liian herkkä käytettäväksi menestyksekkäästi tällaisissa kokeissa. Tarvitaan herkempiä lämpötilanmittauslaitteita. Voit ottaa sähköisen lämpömittarin, jossa herkkä elementti on valmistettu ohuen metallilevyn muodossa. Tämä levy on peitettävä ohuella nokikerroksella, joka imee lähes kokonaan valon minkä tahansa aallonpituuden mukaan.

Laitteen lämpöherkkä levy tulee sijoittaa johonkin paikkaan spektrissä. Pituuden l koko näkyvä spektri punaisista säteistä violettiin vastaa taajuusväliä v kr - y f. Leveys vastaa pientä väliä Av. Kuumentamalla laitteen mustaa levyä voidaan arvioida säteilyvuon tiheys taajuusväliä kohden Av. Siirtämällä levyä spektriä pitkin huomaamme, että suurin osa energiasta on spektrin punaisessa osassa, ei kelta-vihreässä, kuten silmästä näyttää.

Näiden kokeiden tulosten perusteella on mahdollista piirtää säteilyn intensiteetin spektritiheyden riippuvuus taajuudesta. Säteilyvoimakkuuden spektritiheys määräytyy levyn lämpötilan mukaan, eikä taajuutta ole vaikea löytää, jos valon hajottamiseen käytetty laite on kalibroitu, eli jos tiedetään, mitä taajuutta kyseinen spektrin osa vastaa. to.

Piirretään abskissa-akselia pitkin Av-välien keskipisteitä vastaavien taajuuksien arvot ja ordinaatta-akselilla säteilyn intensiteetin spektritiheys, saadaan sarja pisteitä, joiden läpi voidaan piirtää tasainen käyrä. Tämä käyrä antaa visuaalisen esityksen energian jakautumisesta ja valokaaren spektrin näkyvästä osasta.

Spektrilaitteet. Tarkkaa spektrien tutkimista varten sellaiset yksinkertaiset laitteet, kuten valonsädettä rajoittava kapea rako ja prisma, eivät enää riitä. Tarvitaan instrumentteja, jotka antavat selkeän spektrin, eli instrumentteja, jotka erottavat hyvin eri aallonpituiset aallot eivätkä salli spektrin yksittäisten osien päällekkäisyyttä. Tällaisia laitteita kutsutaan spektrilaitteiksi. Useimmiten spektrilaitteiston pääosa on prisma tai diffraktiohila.

Harkitse prismaspektrilaitteen laitteen kaaviota. Tutkittu säteily tulee ensin laitteen kollimaattoriksi kutsuttuun osaan. Kollimaattori on putki, jonka toisessa päässä on näyttö, jossa on kapea rako, ja toisessa - suppeneva linssi. Rako on polttovälillä objektiivista. Siksi raosta linssiin tuleva divergentti valonsäde poistuu siitä yhdensuuntaisena säteenä ja putoaa prismaan.

Koska eri taajuudet vastaavat erilaisia taitekertoimia, prismasta nousevat rinnakkaiset säteet, jotka eivät ole suunnaltaan yhteensopivia. Ne putoavat linssiin. Tämän objektiivin polttovälillä on näyttö - himmeä lasi tai

valokuvauslevy. Linssi fokusoi yhdensuuntaiset säteet näytölle, ja yhden raon kuvan sijaan saadaan koko sarja kuvia. Jokaisella taajuudella (kapea spektriväli) on oma kuvansa. Kaikki nämä kuvat yhdessä muodostavat spektrin.

Kuvattua laitetta kutsutaan spektrografiksi. Jos toisen linssin ja näytön sijasta spektrien visuaaliseen havainnointiin käytetään kaukoputkea, niin laitetta kutsutaan spektroskoopiksi, kuten edellä on kuvattu. Prismat ja muut spektrilaitteiden yksityiskohdat eivät välttämättä ole lasia. Lasin sijasta käytetään myös läpinäkyviä materiaaleja, kuten kvartsia, vuorisuolaa jne.

Spektrityypit

Aineiden säteilyn spektrikoostumus on hyvin monipuolinen. Mutta tästä huolimatta kaikki spektrit, kuten kokemus osoittaa, voidaan jakaa useisiin tyyppeihin:

Jatkuvat spektrit. Auringon spektri tai kaarivalospektri on jatkuva. Tämä tarkoittaa, että kaikki aallonpituudet ovat edustettuina spektrissä. Spektrissä ei ole epäjatkuvuutta, ja spektrografin näytössä näkyy jatkuva monivärinen nauha.

Energian taajuusjakauma eli säteilyn intensiteetin spektritiheys on erilainen eri kappaleille. Esimerkiksi kappale, jonka pinta on hyvin musta, säteilee kaikentaajuisia sähkömagneettisia aaltoja, mutta säteilyn intensiteetin spektritiheyden taajuudesta riippuvuuskäyrällä on maksimi tietyllä taajuudella. Hyvin pienistä ja erittäin korkeista taajuuksista johtuva säteilyenergia on mitätön. Lämpötilan noustessa säteilyn maksimispektritiheys siirtyy kohti lyhyitä aaltoja.

Jatkuvat (tai jatkuvat) spektrit, kuten kokemus osoittaa, antavat kappaleita, jotka ovat kiinteässä tai nestemäisessä tilassa, sekä voimakkaasti puristettuja kaasuja. Jatkuvan spektrin saamiseksi sinun on lämmitettävä keho korkeaan lämpötilaan.

Jatkuvan spektrin luonne ja sen olemassaolon tosiasia määräytyvät paitsi yksittäisten säteilevien atomien ominaisuuksien perusteella, myös riippuvat suurelta osin atomien vuorovaikutuksesta keskenään.

Jatkuva spektri tuottaa myös korkean lämpötilan plasman. Plasma lähettää sähkömagneettisia aaltoja pääasiassa elektronien törmääessä ioneihin.

Viivaspektrit. Tuodaan kaasupolttimen vaaleaan liekkiin tavallisella ruokasuolaliuoksella kostutettu pala asbestia.

Tarkasteltaessa liekkiä spektroskoopin läpi, kirkkaan keltainen viiva välähtää liekin tuskin erottuvan jatkuvan spektrin taustalla. Tämän keltaisen viivan antaa natriumhöyry, joka muodostuu natriumkloridimolekyylien hajoamisen aikana liekissä. Jokainen niistä on palisadi värikkäistä viivoista, joiden kirkkaus vaihtelee ja joita erottaa leveä tumma

raidat. Tällaisia spektrejä kutsutaan viivaspektreiksi. Viivaspektrin olemassaolo tarkoittaa, että aine emittoi valoa vain melko tietyillä aallonpituuksilla (tarkemmin sanottuna tietyillä hyvin kapeilla spektriväleillä). Jokaisella rivillä on rajallinen leveys.

Viivaspektrit antavat kaikki aineet kaasumaisessa atomitilassa (mutta ei molekyylissä). Tässä tapauksessa valoa säteilevät atomit, jotka eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tämä on perustavanlaatuisin, perustyyppinen spektri.

Eristetyt atomit lähettävät tiukasti määriteltyjä aallonpituuksia. Yleensä viivaspektrejä tarkkaillaan käyttämällä liekissä olevan aineen höyryjen hehkua tai tutkittavalla kaasulla täytetyssä putkessa olevan kaasupurkauksen hehkua.

Atomikaasun tiheyden kasvaessa yksittäiset spektriviivat laajenevat, ja lopuksi kaasun erittäin suurella puristuksella, kun atomien vuorovaikutus tulee merkittäväksi, nämä viivat menevät päällekkäin ja muodostavat jatkuvan spektrin.

Raidalliset spektrit. Raidallinen spektri koostuu yksittäisistä vyöhykkeistä, joita erottavat tummat rakot. Erittäin hyvän spektrilaitteen avulla voidaan

huomaa, että jokainen nauha on kokoelma suuresta määrästä hyvin lähekkäin olevia viivoja. Toisin kuin viivaspektrit, raidalliset spektrit eivät synny atomeista, vaan molekyyleistä, jotka eivät ole sitoutuneet tai ovat heikosti sitoutuneita toisiinsa.

Molekyylispektrien sekä viivaspektrien tarkkailuun käytetään yleensä höyryjen hehkua liekissä tai kaasupurkauksen hehkua.

Absorptiospektrit. Kaikki aineet, joiden atomit ovat virittyneessä tilassa, lähettävät valoaaltoja, joiden energia jakautuu tietyllä tavalla aallonpituuksille. Aineen valon absorptio riippuu myös aallonpituudesta. Näin ollen punainen lasi läpäisee punaista valoa vastaavat aallot ja absorboi kaikki muut.

Jos valkoinen valo johdetaan kylmän, säteilemättömän kaasun läpi, lähteen jatkuvan spektrin taustaa vasten ilmestyy tummia viivoja. Kaasu absorboi voimakkaimmin juuri niiden aallonpituuksien valoa, jotka se lähettää erittäin kuumana. Tummat viivat jatkuvan spektrin taustalla ovat absorptioviivoja, jotka yhdessä muodostavat absorptiospektrin.

On olemassa jatkuvia, viiva- ja raidallisia emissiospektrejä ja sama määrä absorptiospektrejä.

Viivaspektreillä on erityisen tärkeä rooli, koska niiden rakenne liittyy suoraan atomin rakenteeseen. Loppujen lopuksi nämä spektrit ovat atomien luomia, jotka eivät koe ulkoisia vaikutuksia. Siksi viivaspektreihin tutustumalla otamme siten ensimmäisen askeleen kohti atomien rakenteen tutkimista. Tarkkailemalla näitä spektrejä tiedemiehet saivat

kyky "katsoa" atomin sisään. Tässä optiikka on läheisessä kosketuksessa atomifysiikan kanssa.

Spektrianalyysien tyypit

Viivaspektrien pääominaisuus on, että aineen viivaspektrin aallonpituudet (tai taajuudet) riippuvat vain tämän aineen atomien ominaisuuksista, mutta ovat täysin riippumattomia atomien luminesenssin herätemenetelmästä. atomeja

minkä tahansa kemiallisen alkuaineen spektri ei ole samanlainen kuin kaikkien muiden alkuaineiden spektrit: ne pystyvät lähettämään tiukasti määritellyn aallonpituuksien sarjan.

Spektrianalyysi perustuu tähän - menetelmään aineen kemiallisen koostumuksen määrittämiseksi sen spektristä. Kuten ihmisen sormenjäljillä, viivaspektreillä on ainutlaatuinen persoonallisuus. Sormen iholla olevien kuvioiden ainutlaatuisuus auttaa usein löytämään rikollisen. Samalla tavalla spektrien yksilöllisyydestä johtuen on olemassa

kyky määrittää kehon kemiallinen koostumus. Spektrianalyysin avulla voit havaita tämän elementin monimutkaisen aineen koostumuksesta. Tämä on erittäin herkkä menetelmä.

Tällä hetkellä tiedossa seuraavat tyypit spektrianalyysit - atomispektrianalyysi (ASA)(määrittää näytteen alkuainekoostumuksen atomi(ioni)emissio- ja -absorptiospektreistä), päästö ASA(erilaisten sähkömagneettisen säteilyn lähteiden virittämien atomien, ionien ja molekyylien emissiospektrien mukaan g-säteilystä mikroaaltoon), atomiabsorptio SA(suoritetaan analysoitavien kohteiden (atomit, molekyylit, aineen eri aggregaatiotilassa olevat ionit) sähkömagneettisen säteilyn absorptiospektrien mukaan), atomifluoresenssi SA, molekyylispektrianalyysi (MSA) (molekyylikoostumus aineet valon absorptio-, luminesenssi- ja Raman-sirontamolekyylispektrien perusteella.), laadukas ISA(riittää todeta määritettävien elementtien analyyttisten viivojen olemassaolo tai puuttuminen. Viivojen kirkkauden perusteella visuaalisen katselun aikana voidaan antaa karkea arvio tiettyjen näytteen elementtien sisällöstä), kvantitatiivinen ISA(suoritetaan vertaamalla näytteen spektrin kahden spektriviivan intensiteettiä, joista toinen kuuluu määritettävään alkuaineeseen ja toinen (vertailuviiva) näytteen pääelementtiin, jonka pitoisuus on tiedossa, tai alkuaine, joka on erityisesti lisätty tunnetussa pitoisuudessa).

ISA perustuu testinäytteen mitatun spektrin kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen vertailuun yksittäisten aineiden spektreihin. Tämän mukaisesti erotetaan laadullinen ja määrällinen ISA. MSA:ssa käytetään erityyppisiä molekyylispektrejä, rotaatiospektrejä [spektrit mikroaalto- ja pitkän aallon infrapuna-alueilla], värähtely- ja värähtely-rotaatiospektrejä [absorptio- ja emissiospektrit keski-IR-alueella, Raman-spektrit, IR-fluoresenssispektrit ], elektroninen, elektroni-värähtely ja elektroni-värähtely-rotaatio [absorptio- ja transmissiospektrit näkyvällä ja ultravioletti (UV) alueella, fluoresenssispektrit]. ISA mahdollistaa pienten määrien (joissakin tapauksissa murto-osien) analysoinnin mcg ja vähemmän) aineet eri aggregaatioasteissa.

Aineen koostumuksen kvantitatiivinen analyysi sen spektrin perusteella on vaikeaa, koska spektriviivojen kirkkaus ei riipu pelkästään aineen massasta, vaan myös hehkun herätemenetelmästä. Näin ollen alhaisissa lämpötiloissa monia spektriviivoja ei esiinny ollenkaan. Luminesenssin virityksen standardiolosuhteissa voidaan kuitenkin suorittaa myös kvantitatiivinen spektrianalyysi.

Tarkin näistä analyyseistä on atomiabsorptio SA. AAA-tekniikka on paljon yksinkertaisempi verrattuna muihin menetelmiin, sille on ominaista suuri tarkkuus määritettäessä paitsi pieniä, myös suuria alkuainepitoisuuksia näytteistä. AAA korvaa menestyksekkäästi työläs ja pitkä kemiallisia menetelmiä analyysi, joka ei ole niitä huonompi tarkkuudella.

Johtopäätös

He oppivat Auringon ja tähtien kemiallisen koostumuksen spektrianalyysin avulla. Muut analyysimenetelmät ovat yleensä mahdottomia tässä. Kävi ilmi, että tähdet koostuvat samoista kemiallisista alkuaineista kuin maapallolla. On uteliasta, että helium löydettiin alun perin auringosta ja vasta sitten maapallon ilmakehästä. Tämän nimi

elementti muistuttaa löytöhistoriansa: sana helium tarkoittaa käännöksessä "aurinkoinen".

Suhteellisen yksinkertaisuutensa ja monipuolisuutensa vuoksi spektrianalyysi on pääasiallinen menetelmä aineen koostumuksen seurantaan metallurgiassa, koneenrakennuksessa ja ydinteollisuudessa. Spektrianalyysin avulla määritetään malmien ja mineraalien kemiallinen koostumus.

Monimutkaisten, pääasiassa orgaanisten seosten koostumus analysoidaan niiden molekyylispektrien perusteella.

Spektrianalyysi voidaan suorittaa paitsi emissiospektreistä myös absorptiospektreistä. Auringon ja tähtien spektrin absorptioviivat mahdollistavat näiden taivaankappaleiden kemiallisen koostumuksen tutkimisen. Auringon kirkkaasti valoisa pinta - fotosfääri - antaa jatkuvan spektrin. Auringon ilmakehä absorboi valikoivasti valoa fotosfääristä, mikä johtaa absorptioviivojen ilmaantumista fotosfäärin jatkuvan spektrin taustalla.

Mutta itse Auringon ilmakehä säteilee valoa. Auringonpimennysten aikana, kun aurinkolevy on Kuun peitossa, spektriviivat käännetään. Auringon spektrin absorptioviivojen sijaan emissioviivat vilkkuvat.

Astrofysiikassa spektrianalyysillä ei ymmärretä ainoastaan tähtien, kaasupilvien jne. kemiallista koostumusta, vaan myös monia

näiden esineiden muut fyysiset ominaisuudet: lämpötila, paine, nopeus, magneettinen induktio.

On tärkeää tietää, mistä kehomme ympärillämme on tehty. Niiden koostumuksen määrittämiseksi on kehitetty monia menetelmiä. Mutta tähtien ja galaksien koostumus voidaan tietää vain spektrianalyysin avulla.

ASA:n pikamenetelmiä käytetään laajalti teollisuudessa, maataloudessa, geologiassa ja monilla muilla kansantalouden ja tieteen aloilla. ASA:lla on merkittävä rooli ydinteknologiassa, puhtaiden puolijohdemateriaalien, suprajohteiden jne. valmistuksessa. Yli 3/4 kaikista metallurgian analyyseistä tehdään ASA-menetelmillä. Kvantometrien avulla suoritetaan operatiivinen toimenpide (2-3 min) ohjaus sulatuksen aikana avotakka- ja konvertteriteollisuudessa. Geologiassa ja geologisessa etsinnässä esiintymien arvioimiseksi tehdään noin 8 miljoonaa analyysiä vuodessa. ASA:ta käytetään ympäristönsuojelussa ja maaperän analysoinnissa, oikeuslääketieteessä, merenpohjan geologiassa ja yläilmakehän koostumuksen tutkimuksessa,

isotooppien erottaminen ja geologisten ja arkeologisten esineiden iän ja koostumuksen määrittäminen jne.

Joten spektrianalyysiä käytetään melkein kaikilla ihmisen toiminnan tärkeimmillä alueilla. Siten spektrianalyysi on yksi tärkeimmistä näkökohdista ei vain tieteellisen kehityksen, vaan myös ihmiselämän tason kehityksessä.

Kirjallisuus

Zaidel A. N., Fundamentals of spectral analysis, M., 1965,

Methods of spectral analysis, M, 1962;

Chulanovsky V. M., Johdanto molekyylispektrianalyysiin, M. - L., 1951;

Rusanov AK, Malmien ja mineraalien kvantitatiivisen spektrianalyysin perusteet. M., 1971

Valoisen kappaleen säteilyyn käyttämää energiaa voidaan täydentää eri lähteistä. Ilmassa hapettunut fosfori hehkuu kemiallisen muutoksen aikana vapautuvan energian vuoksi. Tällaista valoa kutsutaan kemiluminesenssiksi.

Hehkua, joka ilmenee erityyppisten itsenäisten kaasupurkausten aikana, kutsutaan elektroluminesenssiksi. Kiinteiden aineiden hehkua, joka johtuu niiden elektronien pommituksesta, kutsutaan katodiluminumiksi ja ei-kohtaukseksi. Sille ominaisen tietyn aallonpituuden λ 1 omaavan kappaleen säteilyn emissio voidaan aiheuttaa säteilyttämällä tätä kappaletta (tai säteilyttämällä sitä aiemmin) säteilyllä, jonka aallonpituus λ 2 on pienempi kuin λ 1 . Tällaiset prosessit yhdistetään nimellä fotoluminesenssi.

Ympäröikäämme säteilevä kappale läpäisemättömällä kuorella, jonka pinta on täydellisesti heijastava (kuva 154). Poista ilma kuoresta. Kuoren heijastama säteily, joka putoaa kehoon, absorboituu siihen (osittain tai kokonaan). Näin ollen kehon ja kuoren täyttävän säteilyn välillä tapahtuu jatkuvaa energianvaihtoa. Jos energian jakautuminen kehon ja säteilyn välillä pysyy muuttumattomana kullakin aallonpituudella, kehon säteilyjärjestelmän tila on tasapainossa. Kokemus osoittaa, että ainoa säteilytyyppi, joka voi olla tasapainossa säteilevien kappaleiden kanssa, on lämpösäteily. Kaikki muut säteilytyypit ovat epätasapainoisia.

Lämpösäteilyn kyky olla tasapainossa säteilevien kappaleiden kanssa johtuu siitä, että sen intensiteetti kasvaa lämpötilan noustessa. Oletetaan, että kehon ja säteilyn välinen tasapaino (ks. kuva 1) on häiriintynyt ja keho lähettää enemmän energiaa kuin se absorboi. Sitten kehon sisäinen energia laskee, mikä johtaa lämpötilan laskuun. Tämä puolestaan vähentää kehon lähettämän energian määrää. Kehon lämpötila laskee, kunnes kehon lähettämän energian määrä on yhtä suuri kuin absorboituneen energian määrä. Jos tasapaino häiriintyy toiseen suuntaan, eli säteilevän energian määrä on pienempi kuin absorboitunut, kehon lämpötila nousee, kunnes tasapaino palautuu. Siten epätasapaino kehon säteilyjärjestelmässä aiheuttaa prosessien esiintymisen, jotka palauttavat tasapainon.

Tilanne on erilainen minkä tahansa luminesenssityypin tapauksessa. Osoitetaan tämä kemiluminesenssin esimerkillä. Niin kauan kuin säteilyn aiheuttava kemiallinen reaktio jatkuu, säteilevä kappale siirtyy yhä kauemmaksi alkuperäisestä tilastaan. Säteilyn imeytyminen kehoon ei muuta reaktion suuntaa, vaan päinvastoin johtaa nopeampaan (kuumenemisen vuoksi) reaktioon alkuperäisessä suunnassa. Tasapaino syntyy vasta, kun koko reagoivien aineiden määrä on käytetty loppuun ja kemiallisten prosessien aiheuttama luminesenssi korvataan lämpösäteilyllä.

Joten kaikista säteilytyypeistä vain lämpösäteily voi olla tasapainossa. Termodynamiikan lait pätevät tasapainotiloihin ja prosesseihin. Tästä syystä lämpösäteilyn on myös noudatettava joitain yleisiä termodynamiikan periaatteista johtuvia lakeja. Käännymme näiden säännönmukaisuuksien pohtimiseen.

Löydät myös kiinnostavaa tietoa tieteellisestä hakukoneesta Otvety.Online. Käytä hakulomaketta:

Portaali opiskelijalle. Itseharjoittelu

Lämpösäteily ja luminesenssi.

AIHEESEEN LIITTYVÄT ARTIKKELIT