Спектры. Спектральный анализ и его применение
Министерство образования и науки
Республики Казахстан
Карагандинский Государственный Университет
имени Е.А. Букетова
Физический факультет
Кафедра оптики и спектроскопии
Курсовая работа
на тему:
Спектры. Спектральный анализ и его применение.
Подготовил:
студент группы ФТРФ-22
Ахтариев Дмитрий.
Проверил:
преподаватель
Кусенова Асия Сабиргалиевна
Караганды – 2003г.
План
Введение
1. Энергия в спектре
2. Виды спектров
3. Спектральный анализ и его применение
4. Спектральные аппараты
5. Спектр электромагнитных излучений
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из
каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится
каждый элемент в данном веществе.
Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется
путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с
интенсивностью линий другого химического элемента, количественное
содержание которого в образце известно.
Метод определения качественного и количественного состава вещества по
его спектру называется спектральным анализом. Спектральный анализ широко
применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического
состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет
контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения
материалов с задаными свойствами.
Достоинствами спектрального анализа являются высокая чувствительность и
быстрота получения результатов. С помощью спектрального анализа можно
обнаружить в пробе массой 6*10-7 г присутствие золота при его массе всего
10-8 г. Определение марки стали методом спектрального анализа может быть
выполнено за несколько десятков секунд.
Спектральный анализ позволяет определить химический состав небесных
тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет. Химический
состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездном пространстве
определяется по спектрам поглощения.
Изучая спектры, ученые смогли определить не только химический состав
небесных тел, но и их температуру. По смещению спектральных линий можно
определять скорость движения небесного тела.
Энергия в спектре.
Источник света должен потреблять энергию. Свет - это электромагнитные
волны с длиной волны 4*10-7 - 8*10-7 м. Электромагнитные волны излучаются
при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в
состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о
механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света
так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать
лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.
Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию.
Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения
вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения -
тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света
компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул)
излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы.
При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их
кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые
затем излучают свет.
Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа
накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь
примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током,
преобразуется в энергию света. Тепловым источником света является пламя.
Крупинки сажи раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании
топлива, и испускают свет.
Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света,
может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах
электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию.
Быстрые электроны испытывают соударения с атомами. Часть кинетической
энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают
энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается
свечением. Это и есть электролюминесценция.
Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их
электронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции
светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.
Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с
выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на
излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру
окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией.
Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается, а
частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев
вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться
непосредственно под действием падающего на него излучения. Это и есть
фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их
внутреннюю энергию), после этого они высвечиваются сами. Например,
светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет
после их облучения.
Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую
длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать
экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом (органический
краситель) световой пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то
эта жидкость начинает светиться зелено - желтым светом, т. е. светом
большей длины волны, чем у фиолетового света.
Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного
света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю
поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под
действием коротковолнового излучения газового разряда. Лампы дневного
света примерно в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания.
Перечислены основные виды излучений и источники, их создающие. Самые
распространенные источники излучения - тепловые.
Распределение энергии в спектре. Ни один из источников не дает
монохроматического света, т. е. света строго определенной длины волны. В
этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а
также опыты по интерференции и дифракции.
Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным
образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового
пучка. Можно также сказать, что энергия распределена по частотам, так как
между длиной волны и частотой существует простая связь: (v = c.
Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность /,
определяется энергией &W, приходящейся на все частоты. Для характеристики
распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину:
интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину
называют спектральной плотностью интенсивности излучения.
Спектральную плотность потока излучения можно найти экспериментально.
Для этого надо с помощью призмы получить спектр излучения, например,
электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на
небольшие спектральные интервалы шириной Av.
Полагаться на глаз при оценке распределения энергии нельзя. Глаз
обладает избирательной чувствительностью к свету: максимум его
чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра. Лучше всего
воспользоваться свойством черного тела почти полностью поглощать свет всех
длин волн. При этом энергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание
тела. Поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о
количестве поглощенной в единицу времени энергии.
Обычный термометр имеет слишком малую чувствительность для того, чтобы
его можно было с успехом использовать в таких опытах. Нужны более
чувствительные приборы для измерения температуры. Можно взять
электрический термометр, в котором чувствительный элемент выполнен в виде
тонкой металлической пластины. Эту пластину надо покрыть тонким слоем
сажи, почти полностью поглощающей свет любой длины волны.
Чувствительную к нагреванию пластину прибора следует поместить в то или
иное место спектра. Всему видимому спектру длиной l от красных лучей до
фиолетовых соответствует интервал частот от vкр до уф. Ширине
соответствует малый интервал Av. По нагреванию черной пластины прибора
можно судить о плотности потока излучения, приходящегося на интервал
частот Av. Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, что большая
часть энергии приходится на красную часть спектра, а не на желто-зеленую,
как кажется на глаз.
По результатам этих опытов можно построить кривую зависимости
спектральной плотности интенсивности излучения от частоты. Спектральная
плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины, а
частоту нетрудно найти, если используемый для разложения света прибор
проградуирован, т. е. если известно, какой частоте соответствует данный
участок спектра.
Откладывая по оси абсцисс значения частот, соответствующих серединам
интервалов Av, а по оси ординат спектральную плотность интенсивности
излучения, мы получим ряд точек, через которые можно провести плавную
кривую. Эта кривая дает наглядное представление о распределении энергии и
видимой части спектра электрической дуги.
Виды спектров.
Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен.
Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на
