1.5. Аппаратура для изучения спектров

Спектральные приборы являются инструментом для исследования микромира атомов и молекул. Изменение энергетического состояния атома (молекулы) сопровождается излучением или поглощением квантов света. Энергия кванта определяет положение спектральной линии на шкале электромагнитных колебаний, а число квантов – ее интенсивность. Изучая с помощью спектральных приборов спектр и интенсивность спектральных линий, можно получать обширную информацию об энергетических состояниях атомов (молекул) и определять концентрацию вещества.

Для атомного спектрального анализа применяют большей частью дисперсионные спектральные приборы, основными элементами которых являются призмы или дифракционные решетки.

Оптические схемы дисперсионных приборов. Дисперсионные приборы (рис.1.3.) состоят из трех основных частей: 1 – коллиматора, ІІ – диспергирующего элемента, ІІІ – узла с фокусирующим объективом 5. Эти три части прибора жестко связаны друг с другом, крепятся на массивном основании и заключены в кожухи, защищающие их от постороннего света. Входной коллиматор имеет узкую щель 2 и объектив 3, главная ось которого проходит через центр щели. Второй узел содержит одну или несколько диспергирующих призм 4 или же отражающую дифракционную решетку. Щель параллельно преломляющему ребру призмы или штрихам решетки; ширина щели регулируется в пределах 0 – 0,4 мм.

Если прибор предназначается для фотографирования спектра, то с фокальной поверхностью 6 фокусирующего объектива 5 совмещен светочувствительный слой пластинки или пленки, которые вставляют в кассету; плоскость светочувствительного слоя параллельна входной щели.

Прибор с фотографической регистрацией называют спектрографом, с визуальной регистрацией – спектроскопом, стилоскопом или стилометром (в зависимости от назначения и способа измерения интенсивности линий).

Ход лучей в спектральном приборе показан на рис.1.3.

В данной работе используется кварцевый спектрограф ИСП – 28. Этот прибор является прибором средней дисперсии, дает высокое качество спектра и широко применяется для качественного и количественного спектрального анализа сплавов, руд и минералов. Оптическая схема показана на рис.1.4

В спектрографе ИСП–28 диспергирующее устройство состоит из призмы Карню 10, коллиматор состоит из зеркального объектива 9 и щели 8. Для получения параллельного пучка щель 8 обычно помещается в фокальной плоскости зеркального объектива, который представляет собой сферическое зеркало с наружным отражающим слоем. Фокусное расстояние коллиматорного объектива одинаково для всех длин волн, в данном случае =703 мм. Угол между оптической осью светового пучка, падающего на коллиматорный объектив и оптической осью пучка, отраженного от коллиматорного объектива 2 17^’. Камера состоит из двух кварцевых линз 11 и кассеты 12. Наблюдаемые визуально и фотографически спектральные линии представляют собой монохроматические изображения входной щели, образованные оптической системой спектрографа. Совокупность этих монохроматических изображений входной щели называется спектром. Фокусное расстояние камерного объектива зависит от длины волны света. Для длины =257,3 нм величина мм. Для освещения щели применяется трехлинзовая конденсорная система, действие которой пояснено на рис 1.4.(б).

Б арабан на щели служит для изменения ширины щели, которое производится с точностью до 0,001 мм. Под щелью имеется механизм юстировки объектива. Чтобы спектры снимались на одной пластинке и при переходе от известного спектра к исследуемому не приходилось смещать пластинку, пользуются специальной диафрагмой (рис.1.5). Эта диафрагма устанавливается перед щелью спектрографа в специальной оправе и может перемещаться в направлении, перпендикулярном оптической оси спектрографа. С помощью подобной диафрагмы можно не только ограничить высоту щели, но и осветить различные ее участки.

С пектрограф снабжен миллиметровой шкалой, которая может быть непосредственно впечатана на фотографическую пластинку одновременно со спектром. Эта миллиметровая шкала, в свою очередь, должна быть градуирована в единицах длин волн при помощи спектра – эталона. Обычно в качестве такого стандартного эталонного спектра используется спектр железа, обладающим большим числом спектральных линий, длины волн которых измерены с большой точностью (до 3-го и 4-го десятичных знаков).

Источники света. Для получения спектров испускания атомов и простых молекул используются различные источники света. Наиболее распространенным источником линейчатых и полосатых спектров является активизированная дуга переменного тока, в плазме которой развивается температура до нескольких тысяч градусов. Если подвести переменный ток к металлическим электродам, то дуга между ними не возникает, т.к. в паузах тока электроды успевают остыть настолько, что прекращается термоэлектронная эмиссия.

Чтобы дуга переменного тока не гасла, ее активируют высокочастотным (ВЧ) разрядом малой мощности и высокого напряжения (10000-12000 В), который ионизирует дуговой промежуток.

Электрическая схема активированной дуги переменного тока приведена на (рис 1.6.).

В ысокая частота вводится в цепь переменного тока (220 В и 50 Гц), питающую дуговой разряд (контур II) с помощью индукционной катушки 2, которая связана с ВЧ контуром 1. Контур питается от трансформатора небольшой мощности 1, напряжение которого регулируется сопротивлением 5. Цепь вторичной обмотки замкнута через конденсатор 7. По мере появления напряжения сети в начале каждого полупериода (т.е. 100 раз в с), конденсатор заряжается. Зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет напряжения пробоя вспомогательного разрядного промежутка 3. В этом контуре возникают затухающие ВЧ колебания, которые через повышающую индукционную катушку 2, подается на разрядный промежуток дуги 4, где происходит ионизация. 8 предназначена для закорачивания токов ВЧ.

Приборы для рассматривания спектрограмм и измерения расстояния между линиями.

Спектропроектор дает на своем экране увеличенное изображение спектрограмм. Схема прибора ДСП – 1 показана на рис 1.7. Свет от лампы накаливания 1 проходит через осветительную систему линз 2, теплозащитный фильтр 3 и попадает на фотопластинку 4. Объектив 6 и призма 7 проецируют 20 – кратно увеличенное изображение спектрограммы на экран 8. Для рассматривания разных участков пластинки столик можно перемещать в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис.1.7. Двойной спектропроектор ДСП-1

-внешний вид; б-оптическая схема;

1-лампа; 2-конденсаторы; 3-тепловой фильтр; 4-спектрограмма; 5-шторка; 6-объектив; 7-призма с зеркальными гранями; 8-экран

Для точного измерения расстояний между спектральными линиями используется измерительный микроскоп МИР – 12. МИР – 12 (рис 1.8.) снабжен горизонтальным столиком 1, на котором закрепляется фотопластинка. Корпус микроскопа 2 сделан подвижным и может перемещаться при помощи микрометрического винта 3 в горизонтальном направлении. Фотопластинку закрепляют на столике так, чтобы движение каретки микроскопа было направлено вдоль спектра. Имеющийся в поле зрения микроскопа тонкий крест устанавливаются последовательно на каждую спектральную линию.

Д

Рис.1.8. Измерительный микроскоп Мир-12

( ) и спектр в его поле зрения (б)

)

ля установки в поле зрения микроскопа нужного участка спектра подвижный столик 1 имеет продольное и поперечное перемещение. Для освобождения продольного хода столика необходимо нажать педаль 5. Поперечное перемещение производится от руки. Резкость изображения спектра достигается вращением объектива. Установку резкости сетки окуляра производят вращением оправы окулярной линзы. Отсчеты расстояний делают по миллиметровой шкале 4 и барабану 3. Цена деления барабана 0,01 мм, точность отсчета 0,005 мм. Каретка микроскопа имеет ход 50 мм.

Справочный материал для качественной расшифровки спектрограмм можно найти в таблицах спектральных линий и атласах.

Таблицы. Существуют таблицы спектральных линий двух типов: а) спектральные линии всех элементов периодической системы расположены в порядке убывания (возрастания) длины волны. Таблицы этого типа удобно использовать для выявления возможного перекрывания линий разных элементов; б) линий каждого элемента периодической системы приведены в отдельной таблице. Такие таблицы удобны для выбора аналитических линий.

Атласы представляют собой наборы планшетов, на которых изображены спектры элементов с указанием длин волн спектральных линий.

Рассмотрим один из распространенных атласов для кварцевых спектрографов средней дисперсии (ИСП- 28, ИСП-30) [15]. Атлас состоит из 23 планшетов. На каждом планшете изображен участок спектра железа, по отношению к которому штрихами показаны положения характерных линий других элементов. Для каждой линии рядом с симв олом элемента приведены длина волны, округленная до 0,01 нм, указана чувствительность линии в условных единицах (рис.1.9.). Для оценки чувствительности линий принята десятибалльная система. Линии, появляющиеся при концентрации элемента 10% и более, имеют чувствительность, равную единице. Линии, появляющиеся при концентрации 0,001% и менее, имеют чувствительность 10 (таблица-1.1).

1.1-таблица

Шкала интенсивностей линий

Интенсивность	Концентрация элемента, при которой появляется линия в спектре эталона, %
1 2-3 3-5 5-7 7-9 10	10-1 1-0,1 0,1-0,01 0,01-0,001 <0,001

Приведенные в атласе оценки чувствительности должны рассматриваться как ориентировочные, т.к. появление линий на спектрограмме в значительной степени зависит от условий получения спектра.

Под спектром железа на планшете помещена шкала длин волн, позволяющая ориентироваться в спектре и определять длины волн линий, не указанных в атласе.

Спектры, изображенные на атласах, сняты при помощи спектрографа ИСП–28 и увеличены в 20 раз в соответствии с увеличением объектива спектропроектора – 20^X. Поэтому спектр на планшетах атласа точно совпадает со спектром, изображенным на экране спектропроектора.

Для быстрого нахождения нужного участка спектра на спектрограммах в таблице 4 (стр. 53) пособия “Отождествление спектров элементов” [16] приведены характерные группы линий Fe и некоторых распространенных элементов, расположенных более или менее равномерно на планшетах атласа. Эти группы легко запоминаются и существенно облегчают ориентацию в спектре.

Внимательно просматривая спектрограмму отыскивают в ней и на планшетах атласа легко запоминающиеся линии, например, на планшете 8 атласа находится группа линий, условно называемая ‘‘близнецы’’ (рис. 1.10.а), а на планшете 15 – также очень заметная группа (рис.1.10.б). Для лучшего запоминания этих или других запоминающихся групп линий просматривают спектр железа по всей длине несколько раз, отыскивая каждой раз нужные линии.

.