4. Спектральный анализ.

Квантовомеханические представления об энергетической структуре атомов позволили понять и систематизировать большой экспериментальный материал, накопленный физиками – оптиками в «доквантовую» эпоху. Уже тогда было выяснено, что нагретые тела излучают различные световые волны. Это было излучение двух типов. Во-первых, неизменный для данного вещества набор отдельных спектральных линий. Во-вторых, непрерывный спектр излучения, практически одинаковый для всех веществ и изменявшийся при изменении температуры.

Дискретные спектральные линии позволяли определять качественный и количественный состав светящегося объекта. Качественный состав определялся по наблюдаемому набору спектральных линий. Существуют специальные таблицы, позволяющие упростить процедуру определения качественного состав. Количественный состав определить сложнее, но можно. Это делается за счет сравнения интенсивностей отдельных спектральных линий. Особо важным моментом является безконтактность спектроскопического метода. В первую очередь это нашло применение в астрономии – изучение спектров позволило определить состав звезд. Неожиданное применение спектральный анализ нашел в металлургии- давно было известно, что опытные мастера могли по цвету пламени и расплавленного металла определять качество металла и необходимые добавки, «присадки». Использование спектрометров облегчило эту задачу. Сейчас спектральный анализ применяется весьма широко, и одна из важных областей его применения, – экология и мониторинг окружающей среды.

Изучение спектров удаленных объектов позволило выяснить, что кроме спектров испускания существуют и спектры поглощения. Так, если осветить газ белым светом, то в спектрограммах появляются резкие черные линии, связанные с резонансным поглощением на частотах, являющихся собственными частотами поглощения/излучения для атомов данного газа. Иногда такие спектры называют спектрами Фраунгофера.

Для возбуждения спектров используют различные методы. Наиболее простой – нагрев до высоких температур. Обычно для этой цели используют горелку, спектр излучения которой хорошо известен. Помещая в пламя горелки исследуемое вещество, возбуждают дополнительные линии, которые характеризуют само вещество. При изучении проводящих твердых тел часто применяют метод взрывающейся проволочки: на образец, представляющий собой тонкую проволоку, подается мощный электрический импульс, который быстро нагревает проволочку до её испарения. Этот импульсный метод требует, конечно, фоторегистрации спектров, но применим к малым количествам вещества. Спектры газов легко получить, используя разные газоразрядные трубки: подавая на колбу с разреженным газом высокое напряжение, вызывают его свечение и получают спектр.

В настоящее время применяют лазерные методы возбуждения спектров. С их помощью можно изучать спектры твердых, жидких и газообразных тел. Это уже активная спектроскопия, которая может использовать не только возбуждение всего спектра, но, при резонансном воздействии, отдельные участки спектров, и даже отдельные спектральные линии. С этой целью используют лазеры «на красителях», частота излучения которых может перестраиваться в широких пределах. Есть и другие системы перестраиваемых по частоте лазеров.

Физическая природа появления спектров объясняется наличием энергетических уровней. При этом нужно отметить, что из-за нестабильности возбужденных состояний каждый уровень (а значит, и каждая спектральная линия) имеет некоторую естественную ширину, определяемую временем жизни возбужденного состояния,

. (а.4.1)

Естественная ширина лини, определяется ширинами начального и конечного уровней,

. (а.4.2)

Однако, в действительности ширины линий (2) практически никогда не наблюдаются, так как возникает дополнительное уширение, связанное с движением атомов и их столкновениями.

Доплеровское уширение обусловлено тепловым движением атомов и равно

, (а.4.3)

- масса атома.

Столкновительное уширение определяется вероятностями столкновения атома с различными рассеивающими центрами, функциями распределения рассматриваемых частиц, давлением газа и другими факторами. Единой формулы расчета этой величины нет, а сам расчет является сложной математической задачей.