Работа 1 Рентгеноструктурный анализ

1. .

Работа 2 Определение параметров полупроводников

Работа 3 Изучение фотопроводимости полупроводников

Работа 4 Спектральный анализ сплава на медной основе

Цель научиться определять химическое строение сплава по его спектру излучения.

Оборудование спектрограф кварцевый ИСП-22, дуговой генератор ДГ‑2, штатив для установки электродов ШТ-2, электроды из железа и исследуемого сплава, фотопластинки, оборудование фотолаборатории, спектропроектор ПС-18, атлас спектральных линий железа, таблицы спектральных линий химических элементов, реле времени.

Краткое теоретическое обоснование

Спектральный анализ — это физический метод анализа химического сплава вещества, основанный на исследовании спектров излучения или поглощения атомов или молекул.

Спектральный анализ, основанный на использовании оптических спектров излучения атомов и ионов, называют эмиссионным спектральным анализом. Эмиссионные линейчатые спектры, которые излучаются атомами и ионами, не зависят от того, в какие химические соединения входят эти атомы и ионы. Поэтому эти спектры используются для определения химических элементов, которые входят в состав анализируемого образца. Возбуждение спектров излучения, или эмиссионных спектров происходит при сжигании определенного количества исследуемого вещества (пробы) в электрической дуге, искре или другим соответствующим способом. При этом проба выпаривается, молекулярные соединения обычно диссоциируют на атомы, которые возбуждаются и дают свечение.

В методическом плане общая задача обычно подразделяется на две самостоятельные аналитические задачи: качественный спектральный анализ, цель которого — установить, какие химические элементы входят в состав исследуемого вещества, и количественный спектральный анализ, где устанавливается, в каком количестве тот или иной химический элемент входит в состав исследуемой пробы. При решении обоих этих задач используется одно и то же оборудование для возбуждения и регистрации спектров.

Экспериментальная установка для спектроаналитических исследований складывается из трех основных частей: источника возбуждения спектра, спектрального прибора и регистрирующей части.

Исследуемое вещество тем или иным способом переводится в парообразное состояние, и возбуждается свечение его паров. Излучение направляется в спектральный прибор, который пространственно диспергирует луч на его монохроматические компоненты и располагает их в упорядоченную картину по длинам волн. Спектр исследуемого вещества регистрируется визуально, фотографически или средствами фотоэлектрической регистрации. Фотопластинка, на которой сфотографирован спектр, или запись, которая получилась с помощью регистрируемого приспособления, называется спектрограммой.

Атомный спектральный анализ имеет ряд преимуществ перед другими промышленными методами определения химического состава материала. Спектральный анализ отличается высокой чувствительностью. С его помощью можно определить отдельные химические элементы в количестве миллионных долей миллиграмма. Для анализа спектральными методами достаточно небольшого количества вещества, что позволяет проводить анализ готовой продукции, используя ее в дальнейшем по назначению. При анализе пробы по ее спектру испускания удается одновременно определить почти все химические элементы в различных твердых, жидких и газообразных объектах. Длительность спектрального анализа при использовании современного отечественного оборудования составляет всего несколько минут. По своей точности спектральный анализ превосходит химический при определении малых концентраций вещества и несколько уступает ему при определении больших концентраций.

Спектры испускания (эмиссионные спектры) могут быть получены от любых самостоятельно светящихся источников света. Эмиссионные спектры зависят от агрегатного состояния вещества. Нить лампы накаливания, расплавленный металл испускают сплошной спектр. В газообразном состоянии (например, в пламени) молекулярные соединения вещества излучают спектры в виде более или менее широких полос. Спектры атомных паров характеризуются наличием многочисленных очень узких линий различной яркости (линейчатые спектры). Атомные спектры являются одной из самых фундаментальных характеристик химического элемента. Каждый химический элемент периодической системы Менделеева имеет спектр, отличный от спектров других элементов. По спектрам можно безошибочно отличать друг от друга химические элементы. Наличие в спектре анализируемого вещества спектральных линий какого-либо элемента свидетельствует о присутствии данного элемента в исследуемой пробе.

Спектральный анализ основан на установлении наличия в спектре анализируемой пробы спектральных линий тех или иных химических элементов (качественный анализ) и измерении интенсивности спектральных линий для установления количественного содержания этих элементов в анализируемом образце (количественный анализ).

Для проведения спектрального анализа необходимы такие источники света, которые способны возбуждать атомы, т. е. сообщать им энергию, достаточную для получения атомных спектров. Источниками света могут быть: пламя, электрические разряды. Наибольшее применение в практике спектрального анализа нашли электрические источники света — дуговые и искровые разряды. При их использовании исследуемое вещество наносится на электроды или является одним из электродов. Способы регистрации спектров различны и зависят от длины световой волны. В видимой области спектры можно непосредственно наблюдать глазом. В области более коротких и более длинных волн их можно обнаружить с помощью фотопластинки, фотоэлементов, диодных линеек и другими средствами. По способу регистрации спектров методы спектрального анализа разделяются на визуальные, фотографические, фотоэлектрические. При визуальных методах спектрального анализа приемником излучения спектральных линий является глаз наблюдателя. Для получения и наблюдения спектров используются различные типы стилоскопов и стилометров. Для фотографической регистрации спектра используются различные типы спектрографов. Принципиальное их отличие от стилоскопов состоит в том, что окуляр для визуального наблюдения спектров заменяется камерой для их фотографирования.

Применение фотографических материалов позволяет проникнуть в область ультрафиолетовых лучей. Спектрографы, предназначенные для фотографирования в этой области, должны иметь кварцевую оптику. Стеклянные же оптические детали применяются в спектрографах, предназначенных для видимой области спектра.

Качественный спектральный анализ позволяет установить, какие химические элементы входят в состав исследуемого вещества. Преимущества качественного спектрографического анализа заключается в его документальности, в возможности проверки и уточнения получаемых результатов.

В зависимости от характера пробы используются различные приемы введения ее в разряд. При анализе металлов и сплавов в качестве электродов берутся монолитные образцы любой формы. Порошки и растворы подаются в разряд из кратера угольного электрода вдуванием.

Количественный спектральный анализ основан на закономерной связи интенсивности спектральных линий с концентрацией соответствующих элементов. Эта связь найдена опытным путем и имеет вид

или ,

где J — интенсивность спектральной линии, с — концентрация элемента в пробе, а, b — некоторые коэффициенты.

Интенсивность линий зависит от ряда причин (от количества вещества, поступающего в разрядный промежуток; от условий возбуждения спектральных линий в облаке разряда). Создать строго одинаковое поступление вещества в разряд и неизменные условия возбуждения атомов не удается. Поэтому в практике спектрального анализа концентрацию элемента в пробе находят по отношению интенсивностей двух спектральных линий. Для этого, кроме линии определяемого элемента, выбирают линию другого элемента, входящего в состав анализируемой пробы в известном количестве (или во все пробы этот элемент вводится в определенном количестве). Обычно для сравнения используют спектральные линии элемента основы. Для выполнения количественного анализа необходимы эталонные образцы с известными концентрациями определяемых элементов. При одинаковых условиях фотографируют спектры эталонов и анализируемых проб. Зная концентрацию определяемого элемента в эталонах и найдя для них отношение интенсивностей аналитической пары линий, строят градуировочный график. По оси абсцисс наносят логарифмы концентраций, а по оси ординат — логарифмы отношений интенсивностей. Полученные точки соединяются прямой. Пользуясь градуировочным графиком, по измеренному отношению интенсивностей аналитической пары линий для исследуемого образца можно установить количественное содержание определяемого элемента. Для построения градуировочного графика необходимо, по крайней мере, три эталона. Метод трех эталонов является основным и наиболее простым методом количественного спектрального анализа.

Принцип устройства спектральных приборов

Большинство имеющихся источников света испускают сложное по спектральному составу излучение. Задача спектрального прибора состоит в том, чтобы сложное излучение разложить на составляющие по частотам или по длинам волн. Для этой цели могут быть использованы такие физические явления, как: дисперсия с многолучевой интерференцией, многолучевая интерференция.

Рис. 4.1. Зависимость n( при нормальной дисперсии

Дисперсия света обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны . В спектральных приборах используется нормальная дисперсия, когда показатель преломления сравнительно медленно уменьшается с увеличением длины волны (рис. 4.1).

Зависимость показателя преломления от длины волны может быть с достаточным приближением выражена формулой Коши

, (1)

где А, В, С — некоторые постоянные, зависящие от рода вещества, или формулой Гартмана

, (2)

где , , C — постоянные величины.

На основе явления дисперсии построены все призменные спектральные приборы. Диспергирующим элементом таких приборов является одна или несколько призм.

Дифракция света обусловлена волновой природой света и возникает при различном ограничении волновой поверхности. Наиболее простым случаем является дифракции в параллельных лучах. Именно этот случай дифракции лежит в основе построения дифракционных спектральных приборов. В этих приборах используется явление дифракции в параллельном пучке от большого числа одинаковых щелей, составляющих дифракционную решетку. При этом явление дифракции сопровождается еще интерференцией многих лучей, вследствие чего имеют место резкие и узкие дифракционные максимумы, соответствующие различным углам дифракции и длинам волн (рис. 4.2). Следовательно, дифракционная решетка так же, как и призма, выполняет роль разделителя по длинам волн.

Многолучевая интерференция основана на интерференции многих пучков при отражении света от двух плоских поверхностей, имеющих высокий коэффициент отражения (рис. 4.3). Параллельные лучи разных точек источника света дают в фокальной плоскости линзы интерференционные полосы равного наклона. За счет высоких порядков интерференции приборы, построенные на этом принципе, обладают узким свободным спектральным интервалом и малой шириной спектральных максимумов — малой приборной шириной, что и определяет их название — приборы высокой разрешающей способности.

Типы спектральных приборов

В практической спектроскопии существует следующая классификация спектральных приборов

1. По типу оптической схемы

• обычные приборы, имеющие отдельно коллиматорную и камерную трубы

• автоколлиматорные приборы, в которых конструктивно совмещены коллиматор и камера.

2. По принципу диспергирования

• призменные приборы

• приборы с дифракционными решетками

• интерференционные приборы.

3. По назначению

• монохроматоры, выделяющие узкую спектральную область или спектральную линию

• полихроматоры, выделяющие одновременно несколько узких областей спектра или несколько спектральных линий

• спектрографы и спектроскопы, позволяющие получать или наблюдать одновременно широкие области спектра

• спектрометры — приборы, сканирующие спектры при помощи фотоэлектрического или теплового приемника и регистрирующего устройства.

4. По способу регистрации спектра

• визуальные (спектроскопы)

• фотографические (монохроматоры, полихроматоры).

5. По области спектра

• для инфракрасной области

• для видимой области

• для ультрафиолетовой области

• для вакуумной области.