I. Теоретические основы спектрального анализа

Спектральный анализ позволяет получить данные о том, какие химические элементы и в каком количественном соотношении входят в состав исследуемой пробы. Можно указать два принципиально различных метода спектрального анализа:

а) исследование спектров испускания атомов или молекул (атомно-эмиссионный и флуоресцентные методы);

б) исследование спектров поглощения атомов (атомно-абсорбционный метод) или молекул (спектрофотометрический и фото-колориметрический методы).

Химику-аналитику, использующему в своей работе данные методы анализа, необходимо знать основные сведения о спектрах электромагнитных колебаний, строении атомов и молекул, а также о процессах взаимодействия атомов и молекул с различными формами энергии, в частности, с излучением и теплом.

I.1. Шкала электромагнитных волн

Основной характеристикой электромагнитных колебаний является длина волны  или частота , которые связаны между собой простым соотношением

 = с, (I.1)

где с - скорость света в вакууме. На рис. I.1 представлены шкалы электромагнитных колебаний. Внизу показаны процессы, при которых возникает соответствующее излучение.

Глаз человека способен воспринимать только малую часть спектра. Видимая область охватывает диапазон длин волн от 400 до 670 нм. За его пределами в области колебаний меньшей частоты располагается область инфракрасного излучения с длиной волн до десятых долей миллиметра, переходящая в радиоволны, измеряемые сантиметрами, метрами, сотнями и тысячами метров. В области колебаний с меньшей длиной волны, чем видимый свет, располагается сначала область ультрафиолетового излучения с длинами волн примерно до 10 нм, затем область рентгеновского излучения - до 0.01 нм и еще дальше - область -излучения. Под оптическими спектрами понимают спектры электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах шкалы электромагнитных волн.

Энергия кванта электромагнитного излучения (фотона) прямо пропорциональна его частоте

E = h, (I.2)

где h - постоянная Планка. Поэтому чем выше энергия кванта, тем меньше длина волны электромагнитных колебаний. Этим различиям в энергии соответствует и различие в происхождении колебаний разных областей спектра и в характере их действия.

Наибольшими энергетическими эффектами сопровождаются процессы, происходящие в атомных ядрах, - ядерные превращения. При этих процессах возникают наиболее коротковолновые колебания - -лучи. Рентгеновские лучи возникают при электронных переходах, происходящих между внутренними, ближайшими к ядру электронными оболочками. Ультрафиолетовому излучению и излучению видимой части спектра соответствуют переходы внешних электронов атомов и молекул. Поглощение молекулами инфракрасного излучения приводит к колебаниям отдельных атомов и атомных групп в молекулах - наблюдаются колебательные спектры поглощения, с помощью которых получают информацию о строении молекул. Поглощению радиоизлучения соответствуют вращательные спектры молекул.

Диаграмма позволяет представить, при каких температурах могут самопроизвольно (в результате соударения частиц) возбуждаться те или иные процессы. Видно, что при комнатной температуре возможно вращение молекул и отчасти возбуждение колебаний атомов и атомных групп, содержащихся в молекулах. Возбуждение атомного спектра, связанного с переходами оптического (валентного, внешнего) электрона, происходит при температурах более 5 000К.

Поскольку все представленные в настоящем пособии методы анализа основаны на изучении оптических спектров, остановимся более подробно на рассмотрении этой области электромагнитного излучения.