К р а т к а я т е о р и я

Спектральный анализ (спектроскопия) – это метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания или поглощения атомов или молекул.

В рамках качественного спектрального анализа решается простейшая задача спектроскопии – определение химического состава изучаемого вещества. О наличии тех или иных элементов в соединении судят по наличию определенных линий или полос в его спектрах поглощения (абсорбционный спектральный анализ) или излучения (эмиссионный спектральный анализ). Более сложные технические и научные задачи решаются в рамках количественного спектрального анализа, который также бывает эмиссионным или абсорбционным. Среди этих задач: определение количества каждого из элементов в соединении, определение температуры и концентрации заряженных частиц в плазме, многие проблемы астрофизики и т.д. Решение подобных задач связано, как правило, с оценкой интенсивности определенных спектральных линий.

Напомним, Что интенсивность излучения света в данной точке пространства определяется как средний по времени световой поток через единицу поверхности площадки, перпендикулярной к направлению распространения световой волны. Оказывается, что для любого приемника света (человеческий глаз, фотопленка, электронные приборы) вовсе небезразлично, в каком спектральном интервале излучается световой поток. Приемник будет по–разному реагировать на излучение одинаковой интенсивности в разных участках спектра. Так, человеческий глаз, например, не воспринимает излучения, лежащего в ультрафиолетовой области спектра, но очень чутко реагирует на излучение в желто – зеленой области. Именно поэтому, рассматривая спектр излучения какого – либо элемента, мы, хотя и видим спектральные линии, представляющиеся нам по – разному яркими, все же не можем приписать им конкретное значение интенсивности. Более того, мы не можем даже сравнить интенсивности двух спектральных линий, если они расположены в далеких друг от друга областях спектра. Измерения подобного рода можно провести только тогда, когда известна спектральная чувствительность фотоприемника , где i – фототок, Ф_l - поток световой энергии в узком интервале длин волн (l, l+dl). Очевидно из вышесказанного, что g_l - функция длины волны света. Вид этой функции для конкретного фотоприемника находится экспериментально.

Простейший способ получения спектральной характеристики, например, фотоэлемента заключается в том, что на последний направляют при помощи монохроматора свет различных длин волн l, но с одинаковым потоком световой энергии Ф_l в одинаковых интервалах (l, l+dl). Тогда встает вопрос: чем же освещать входную щель монохроматора? Ведь любой источник света обладает различной излучательной способностью в различных областях спектра. Проблема легко решается для таких источников, для которых известна зависимость энергии излучения e_l от длины волны. Такими источниками света, в первую очередь являются лампочки накаливания, поскольку их излучение подчиняется законам теплового излучения.

Знание зависимости позволяет произвести перерасчет силы фототока от реального к немонохроматическому источнику постоянной интенсивности в любом спектральном интервале.

На рис. 1 представлена зависимость энергии излучения от длины волны для раскаленного вольфрама, имеющего температуру Т=1800⁰К. По оси ординат отложена интенсивность излучения I в произвольных единицах. Примем за единицу энергию, соответствующую длине волны l=560 нм (эта длина волны соответствует максимальной чувствительности глаза) и ограничимся рассмотрением видимой части спектра. Для света длиной волны l=560 нм фототок i во столько раз меньше, чем фототок от источника постоянной интенсивности e, во сколько раз e_l меньше e₅₆₀. Поэтому, для того, чтобы произвести перерасчет, показание гальванометра (фототок) следует умножить на коэффициент k. Очевидно, что для нм k>1, для нм k<1.

Для определения чувствительности фотоэлемента обычно пользуются эталонными лампами с известными кривыми Вина, либо определяют пирометром температуру нити лампочки накаливания и, зная материал спирали нити по табличным данным, строят кривую Вина . Затем определяют коэффициент k для различных длин волн. В настоящей работе применена лампа с вольфрамовой спиралью (рабочая температура Т=1800⁰К). Значения k для различных длин волн указаны в приложении к работе.

Экспериментальная установка.

На оптической скамье установлены: монохроматор УМ-2, лампа накаливания в кожухе, линза, фокусирующая излучение лампы на входную щель монохроматора. Вблизи выходной щели укреплен фотоэлемент, соединенный с микроамперметром (рис.2).

Работать с приборами необходимо в следующем порядке:

1. Входная щель монохроматора должна быть закрыта колпачком, затвор поставить в положение «закр.».

2. Включить лампу накаливания и сфокусировать ее нить на центр колпачка входной щели.

3. Установить ширину входной щели 3мм, выходной – 1,4мм.

4. Установить предел измерения микроамперметра 100 пА, нажать кнопку «шкала 0-100».

5. Определить цену деления микроамперметра по верхней шкале.

6. Установить барабан длин волн монохроматора в крайнее положение.

7. Включить микроамперметр. Снять колпачок с входной щели, затвор монохроматора перевести в положение «откр.».

8. Устанавливая барабаном необходимые длины волн, снимать показания микроамперметра.

9. По окончании работы включить лампу и микроамперметр, монохроматор привести в исходное положение.

ЗАДАНИЯ:

1. Изучить теорию, повторить понятия фотометрии.

2. Снять зависимость фототока от длины волны.

3. Построить графически зависимость произведения от длины волны.

Контрольные вопросы:

1. Что такое количественный и качественный спектральный анализ?

2. Какую основную задачу надо решать в рамках количественного спектрального анализа? В чем сложность ее решения?

3. Что такое спектральная чувствительность фотоприемника? Почему необходимо ее использование?

4. Что такое фотоэффект?

5. Объясните методику экспериментального исследования вида зависимости .

6. Пусть в спектре некоторого элемента мы видим довольно яркую желтую спектральную линию и весьма тусклую – фиолетовую. Можно ли и почему сделать вывод о том, что интенсивность желтой линии больше, чем фиолетовой?

7. Чем, вообще, по Вашему мнению определяется интенсивность линий, которые Вы наблюдаете в спектре излучения некоторого химического соединения?

8. Почему полученная зависимость от длины волны может считаться характеристикой спектральной чувствительности?

Поиск по сайту: