6. Оптичні спектри. Спектральний аналіз

Оптичні спектри — спектри електромагнітного випромінювання в інфрачервоному, видимому та ультрафіолетовому діапазонах шкали електромагнітних хвиль. Оптичні спектри поділяють на:

- спектри випромінювання (емісійні спектри);

- спектри поглинання (абсорбційні спектри);

- спектри розсіяння;

- спектри відбивання.

Спектри випромінювання отримуються від джерел світла при розкладі його випромінювання за довжинами хвиль спектральними приладами і характеризуються функцією f( ), що показує розподіл енергії випромінювання залежно від довжини хвилі  (енергія розраховується на деякому інтервалі   ).

Спектри поглинання і розсіяння отримуються при проходженні світла через речовину з наступним розкладом випромінювання за . Спектри поглинання, розсіювання та відбивання характеризуються частиною енергії світла кожної довжини хвилі, що відповідно поглинуто К( ) , розсіяно   ( ) і відбито R( ).

За зовнішнім виглядом оптичні спектри поділяють на лінійчасті, які складаються з окремих ліній, що відповідають дискретним значенням ,   смугасті, які складаються із окремих смуг, кожна з яких охоплює деякий інтервал   , суцільні (неперервні), які охоплюють широкий діапазон довжин хвиль. Строго кажучи, окрема спектральна лінія також не відповідає дискретному значенню довжини хвилі, а завжди має певну кінцеву ширину  .

Спектри виникають при квантових переходах між рівнями енергії атомів, молекул, а також твердих тіл і рідин. Спектри випромінювання відповідають можливим квантовим переходам із верхніх рівнів на нижній, спектри поглинання – із нижніх рівнів на верхні.

Вигляд оптичних спектрів залежить від стану речовини. Якщо речовина знаходиться в стані термодинамічної рівноваги з випромінюванням, вона емітує неперервний спектр, розподіл енергії в якому за  довжиною хвилі  визначає закон випромінювання Планка. В переважній більшості випадків термодинамічна рівновага випромінювання з речовиною відсутня, і спектр має складніший вигляд. Наприклад, для атомів характерні лінійчасті (атомні), а для простих молекул типовими будуть смугасті (молекулярні) спектри.

Атомні спектри – оптичні спектри, отримувані при випромінюванні або поглинанні електромагнітних хвиль вільними (слабко зв'язаними) атомами чи іонами (наприклад, в газах); вони лінійчасті, бо складаються з окремих спектральних ліній. Слід зауважити, що спектри іонів зміщені відносно спектрів нейтральних атомів в область вищих частот.

Положення спектральних ліній в атомних спектрах визначаються певними закономірностями і в найпростішому випадку утворюють спектральні серії. Кожна спектральна серія утворюється можливими квантовими переходами з вище розміщених рівнів енергії на один і той же нижче розміщений рівень (для спектрів випромінювання). Проміжки між лініями однієї серії поступово зменшуються в напрямку зростання частоти – лінії сходяться до межі серії.

У спектрах атомів представлені не всі можливі квантові переходи, а лише дозволені правилами відбору. Кількісною характеристикою дозволених оптичних переходів є їх ймовірність, яка визначає інтенсивність лінії у спектрі. Ймовірність переходів пов’язана з коефіцієнтами Ейнштейна і в найпростішому випадку розраховується методами квантової механіки.

Молекулярні спектри – спектри випромінювання, поглинання і комбінаційного розсіювання, що належать вільним або слабко зв'язаним між собою молекулам. Типовими молекулярними спектрами є смугасті спектри, які спостерігаються у вигляді сукупності вузьких смуг в ультрафіолетовій, видимій і інфрачервоній ділянках спектра; при достатній роздільній здатності спектрального приладу молекулярні смуги розпадаються на сукупність близько розміщених ліній. Структура молекулярних спектрів ускладнюється із зростанням кількості атомів у молекулі.

Спектроскопія – розділ фізики, присвячений вивченню спектрів електромагнітного випромінювання.

Спектральний аналіз – фізичні методи кількісного та якісного визначення складу речовини, що ґрунтуються на отриманні й дослідженні її спектра. Теоретичною основою спектрального аналізу є квантова механіка, яка пояснює: дискретність енергостанів, дозволені переходи між ними, зовнішній вплив, взаємодію систем і таке інше. Експериментальною основою спектрального аналізу є спектроскопія атомів і молекул.

Якісний атомний спектральний аналіз реалізується шляхом зіставлення (ототожнення) ліній спектра досліджуваного об'єкта зі спектральними лініями відомих елементів, довжини хвиль яких наведені в спеціальних таблицях і атласах.

Кількісний спектральний аналіз ґрунтується на співвідношенні, що пов'язує концентрацію с елемента з відношенням інтенсивності лінії шуканої домішки I₁ та лінії порівняння I₂ :

або

(7.31)

Постійні а і b визначаються експериментальним шляхом. За допомогою стандартних зразків (не менше трьох) можна побудувати графічну залежність від (градуювальна крива) та визначити за нею а і b. Значення I₁ та I₂ вимірюють безпосередньо шляхом фотометрування.