Министерство образования и науки Российской Федерации

Калужский государственный Университет

им. К. Э. Циолковского

Задание к экзамену по дисциплине :

«Методы и средства измерений, испытаний и контроля.»

№ 19. Лазерная спектроскопия. Спектроскопия насыщения.

№ 20. Современные проблемы методов и средств измерений.

Основные направления развития средств измерений.

Студентки 3 курса З/о ФТИ-32

«Управление качеством»

Тропиной Ирины Александровны

Проверил: ___________________

____________________________

Калуга – 2015

№ 19. Лазерная спектроскопия. Спектроскопия насыщения.

ЛА́ЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИ́Я-раздел оптической спектроскопии, в основе которого лежит использование лазерного излучения.  С помощью лазеров удается стимулировать определенные квантовые переходы в атомах и молекулах. Преимущества лазерной спектроскопии — высокое  спектральное разрешение, высокая чувствительность  регистрации атомов  и молекул в веществе, возможность исследования малых количестввещества и осуществления спектрального анализа на значительных расстояниях (напр., в атмосфере).

Энциклопедический словарь. 2009.

История спектроскопии

Опыты Кирхгофа и Бунзена

Г устав Роберт Кирхгоф (12.03.1824-17.10.1887) – выдающийся немецкий физик. Он родился в Кенигсберге,  где позднее с 1842 по 1846 год изучал математику и физику в Кенигсбергском университете. Наука так его заинтересовала, что после окончания университета Кирхгоф некоторое время преподавал в Берлине. В 1850 - 1854 годах он уже читал лекции в Бреславле (ныне Вроцлав, Польша). А в 1854 г. по совету химика Р. Бунзена Кирхгофа приглашают в Гейдельбергский университет на должность профессора, которую он занимал до перехода в 1875 г. в Берлинский университет, где возглавил кафедру математической физики и был избран членом Берлинской академии.

Научная деятельность Кирхгофа охватила многие разделы физики. Его работы посвящены электричеству, механике, оптике, математической физике, теории упругости, гидродинамике. Наиболее известными являются - общая теория движения тока в проводниках и один из основных законов теплового излучения. В се началось с того, что в 1854 году друг и коллега Кирхгофа химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) изобрел горелку, которая давала чистое и бесцветное пламя. Поэтому, при введении в него какого-либо вещества, было отчетливо видно изменение цвета огонька. Например, введение крупинки стронциевой соли давало яркий малиновый огонь. Кальция — кирпично-красный; бария — зеленый; натрия — ярко-желтый.

Благодаря этому открытию представилось возможным определение состава вещества по цвету пламени. Но проблема состояла в том, что при введении вещества из нескольких элементов в пламени бунзеновской горелки трудно было что-нибудь разобрать. Один цвет забивал другой.

Вот тут –то и пригодился бесценный опыт Кирхгофа как физика. В 1859 году он предложил смотреть не прямо на пламя, а на его спектр. 

Он собрал спектроскоп по принципу Фраунгофера, который позволил увидеть, что раскаленные пары каждого элемента давали лучи строго определенного цвета, которые призма отклоняла на один и тот же угол в ту же точку экрана.

З арисовав спектр нескольких отдельных элементов, Кирхгоф смог очень точно определять состав более сложных веществ, при внесении их в горелку, потому что все яркие линии сияли отдельно, каждая на своем месте.

При этом чувствительность спектрометра была так высока, что можно было определить присутствие элемента массой менее миллиграмма. Наиболее часто Кирхгофу встречались ярко-желтые линии, которые соответствуют спектру натрия.

Работа со спектроскопом очень увлекла Кирхгофа. Он приделал к нему шкалу с делениями, и спутать различные линии спектра стало невозможно.

Поэтому, решив посмотреть спектр Солнца Густав Роберт отчетливо увидел, что черная фраунгоферовая линия D стоит на том же месте, где и желтая линия натрия. Тогда ему пришла идея посмотреть спектр солнца и натрия одновременно. Чтобы яркий солнечный свет не затмил собой натриевого пламени, он поставил на пути солнечных лучей матовые стекла. В итоге, в обычном спектре солнечных лучей на месте фраунгоферовой линии D ярко сияла линия натрия.

Тогда Кирхгоф решил убрать матовые стекла и тем самым усилить солнечный свет. При этом он рассчитывал увидеть яркий солнечный спектр и бледную желтую линию натрия, но в реальности на месте желтой линии черная фраунгоферова линия D была видна ярче, чем обычно.

Вопрос прояснился после того, как ученый решил пропустить лучи друммондова света через натриевое пламя и оттуда в спектроскоп.

Сам по себе друммондов свет дает сплошной, непрерывный и ровный спектр, похожий на солнечный, только без единой темной линии. Но совместно с натрием в желтой части его спектра обозначилась темная искусственная фраунгоферова линия.

Тут-то и стало ясно, что пламя натрия не только испускает желтые лучи, оно также поглощает чужие желтые лучи того же самого оттенка, но идущие из другого источника света. Вот почему в спектре друммондова света и зияет на их месте темная линия.

Долго обдумывая результаты своего эксперимента, Кирхгоф пришел к выводу, что на Солнце есть натрий. Свет, падающий с Солнца на Землю, исходит с поверхности его плотного ядра, которое окружено разреженной атмосферой раскаленных газов. Если бы этой атмосферы не существовало, то солнечный спектр был бы чистым и непрерывным без единой темной линии, как спектр друммондова света.

Окончательно ученый поверил в своё открытие после того, как увидел, что шестьдесят различных ярких линий в спектре паров железа, полностью совпадают с темными линиями в спектре Солнца по ширине и по резкости.

Это означало, что на Солнце присутствуют пары натрия и железа. А, продолжив, анализ остальных темных линий солнечного спектра Кирхгоф определил наличие на нем так же меди, свинца, олова, водорода, калия, и многих других земных веществ.

В 1859 году Кирхгоф послал в Берлинскую Академию наук сообщение, что раскаленный газ поглощает те именно лучи, которые он сам испускает.

В заключение отметим, что Бунзеном и Кирхгофом были заложены основы спектрального анализа, который после их работ был внедрён в практику химических исследований. С помощью нового метода ими были открыты цезий (1860) и рубидий (1861). Кирхгоф также доказал применимость этого метода для определения химического состава небесных светил, объяснив тёмные полосы в спектре Солнца (фраунгоферовы линии). В результате чего он сформулировал основной закон теплового излучения, в котором впервые ввел понятие абсолютно черного тела.

Области применения спектроскопии.

Детектирование опасных веществ

В последнее время возросла потребность в определении химического состава вещества или определение его наличия на том или ином предмете. Это вызвано в первую очередь с возросшей опасностью транспортировки взрывчатых и наркотических веществ с целью использования и перепродажи. В некоторых странах данный бизнес возрос до невероятных пределов и поддерживает экономику этих стран.

В связи с возникающими угрозами требуется быстро, мобильно распознать вещество, определить его точное местоположение и нейтрализовать курьера. Тут нам могут помочь несколько оптических методов, каждый со своими достоинствами и недостатками.

            - Поглощательная спектроскопия на терагерцевых волнах

            - Рамановская спектроскопия

            - Лазерная эмиссионная спектроскопия LIBS

            - Поглощательная спектроскопия

            - Фурье – спектрометрия

            - Метод НПВО.

  Лазерная спектроскопия по сравнению с другими бесконтактными оптическими методами диагностики позволяет проводить измерения на значительном расстоянии от исследуемого объекта и получать информацию об его составе (например, лидарное зондирование атмосферы). Принципиально новые возможности лазерная спектроскопия приобрела с появлением лазеров с плавно перестраиваемой частотой, которые являются комбинацией источника света и спектрометра ультравысокого разрешения, что даёт возможность измерять профили спектральных линий. Одними из наиболее перспективных аппаратурных комплексов представляются диагностические системы, состоящие из лазеров на красителях с оптической накачкой эксимерными лазерами. Кроме того, эксимерные лазеры могут применяться как самостоятельные системы, например, для диагностики в биологии и медицине.

Еще одно актуальное направление состоит в возможности использования специализированных лазерных систем для геофизических и космических лидаров и лидарных систем для экологического мониторинга окружающей среды. Важными приложениями также представляют исследования предварительно облученных оптических материалов для ИТЭРа, применение лазерно-индуцированной фотолюминесценции для диагностики биологических объектов в интересах медицины и микробиологии.

Виды лазеров и их применение.

По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные. По способу накачки: лазеры с оптической накачкой, газоразрядные лазеры, химические лазеры, ижекционные, лазеры и с электронной накачкой.

Применение лазеров в спектроскопии резко повысило возможность традиционных методов, кроме того, позволило создать методы, основанные на принципиально новых физических принципах. Чувствительность спектроскопических методов доведена до предельного уровня, ограниченного регистрацией единичных атомов и молекул. Методы лазерной спектроскопии используются в лазерной химии, лазерном разделении изотопов.

Лазеры широко применяют в измерительной технике. Например, лазерные интерферометры на гелий-неоновых лазерах позволяют с большой точностью производить юстировочные и нивелировочные работы. Широко используются лазерные светодальномеры и даже лазерные рулетки на портативных полупроводниковых лазерах.

Применения лазеров столь обширны, что здесь невозможно даже их простое перечисление, кроме того, область применения лазеров постоянно расширяется.

С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики как нелинейная оптика и голография.

Нелинейная оптика исследует распространение мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Напряженности электрического поля в мощных лазерных пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. Это приводит к возникновению новых оптических эффектов и существенно меняет характер уже известных явлений. В частности, в 1969 г. была обнаружена самофокусировка света: мощный световой пучок, распространяясь в среде, не испытывает дифракционной расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается.

Голография (от греческого holos – весь, полный, grapho – пишу) – способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой.

Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, голограмма, за счет дифракции опорной волны на записанной в ней интерференционной картине, преобразует опорную волну в копию предметной.

Основы голографии были заложены в 1948 году английским физиком Д. Габором, венгром по происхождению. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа стали возможными лишь после появления источников света высокой степени когерентности – лазеров.