Спектральный анализ: испускание и поглощение света атомами

Точно знать химический состав вещества требуется во многих сферах производственной деятельности. От чистоты рабочего материала зависит протекание химических процессов. Однако чистые материалы, лишенные каких-либо примесей, в природе практически не встречаются. Чтобы изучить химический состав рабочей субстанции, исследуются процессы испускания и поглощения света атомами — спектральный анализ.

Этот метод исследования природы вещества был открыт в середине 19 века и произвел сенсацию. С его помощью был сделан ряд важных достижений в области химии и физики, получены новые знания о химических элементах. Анализ является очень чувствительным и позволяет обнаруживать даже микроскопическую примесь инородной субстанции. Однако сфера применения спектрального анализа простирается гораздо дальше изучения состава веществ.

Что такое спектр?

Спектром называют явление, при котором световой луч, проходя через преломляющий объект (например, призму), раскладывается на несколько разноцветных лучей.

Призма и спектр

Атомы каждого химического элемента имеют свой индивидуальный спектр, отличный от спектров других элементов. Благодаря этой уникальности, можно определить химический состав вещества. Изучение спектров испускания и поглощения света атомами лежит в основе спектрального анализа (спектроскопии).

Излучение атомов вещества осуществляется только в возбужденном состоянии, при воздействии на них каким-либо источником энергии. Получив энергию, вещество отдает ее обратно в виде излучения и возвращается в обычное состояние. Полученные данные об испускании и поглощении атомами света обрабатываются с помощью специальных спектральных аппаратов.

Устройство спектрометр

Виды излучения

Оно бывает:

  1. Тепловое. При нагревании тела, атомы ускоряют свое движение, что приводит к выделению энергии. При достижении определенной концентрации выработанной энергии, вещество начинает излучать свет.
  2. Для испускания и поглощения атомами света может использоваться электрическое поле. В этом случае энергия излучения называется электролюминесценцией.
  3. Хемилюминесценция. Это явление происходит при некоторых химических реакциях, когда температура вещества остается обычной, а излучение происходит за счет взаимодействия с другим веществом.
  4. Фотолюминесценция. Возникает, когда атомы начинают сами излучать свет под воздействием иного источника излучения.

Виды спектроскопии

Для изучения процессов поглощения и испускания света атомами используются различные методы спектрального анализа:

  1. Эмиссионный.
  2. Абсорбционный.
  3. Люминесцентный.
  4. Рентгеновский.
  5. Радиоспектроскопический.
  6. Спектрофотометрический и др.

Наиболее распространенными способами спектроскопии являются эмиссионный, абсорбционный и люминесцентный.

При эмиссионном методе анализа вещество необходимо перевести в газообразное состояние. Под воздействием высоких температур вещество распадается на атомы. В этом случае характер излучения вещества становится критерием определения химического состава. Изучение процесса проходит с помощью спектральных аппаратов, анализирующих тип волны.

Абсорбционный метод применяют для исследования не испускания, а поглощения света атомами. В зависимости от природы элемента, характер поглощения энергии веществом будет индивидуальным в каждом случае.

При люминесцентном методе возбуждение вещества происходит при помощи инфракрасных или ультрафиолетовых лучей.

Цвета спектра

Применение спектрального анализа

Спектроскопия принесла миру немало ценных открытий в разных областях знаний.

Множество химических элементов было обнаружено благодаря спектральному анализу: цезий, гелий, рубидий и другие. Основной цвет их спектров часто служит причиной названия (например, "рубидий" — "темно-красный").

Широко применяется спектроскопия в области промышленности, в частности, в машиностроительной сфере, металлургии. Спектральный анализ помогает наиболее точно определить состав минерала, что позволяет получить максимально чистое вещество для производства.

Необычное применение анализу нашлось в области криминалистики, в частности, для установления подлинности или поддельности документа.

Значение спектрального анализа для астрофизики

Самые ценные сведения процессы испускания и поглощения света атомами дают в области астрофизики и исследований космоса.

Только благодаря спектральному анализу удалось установить химический состав небесных объектов, например, Солнца и звезд. Спектроскопия показала, что в составе звезд находятся те же элементы, что на Земле. Фотосферы небесных тел — не что иное, как непрерывный спектр.

Спектральный класс

Не только химический состав звезд открылся благодаря спектральному анализу. Этот метод позволил изучить жизненный цикл звезды. Каждая из них получила свое место в спектральном классе, исходя из ее размера и температуры излучения.

Спектральный анализ позволил получить представление о космических размерах и расстояниях, о скорости движущихся космических объектов, их вращении. Эффект Доплера дополняет и раскрывает суть исследований, проведенных с помощью спектроскопии.

Таким образом, большинство современных астрономических исследований базируется на данных спектрального анализа.

Лазеры, испускание и поглощение света атомами в спектрах

Лазер (квантовый генератор) является источником излучения. В нем излучение энергии возбужденными атомами осуществляется под влиянием внешнего стимула. Спектры лазера формируются испусканием света атомами, а не его поглощением. Пучок лазера является когерентным: лучи идут параллельно и практически не расходятся, независимо от расстояния до источника излучения. Лазеры широко применяются в различных отраслях знаний, в частности, в медицине, оптической физике, фотографии, металлургии и т. д.

Лазерный луч

Рассмотрев процессы испускания и поглощения света атомами кратко и познакомившись с главным методом исследований — спектральным анализом, можно сделать вывод о его неоспоримой значимости в современном мире. Множество сфер науки, производства и технологий применяют этот метод и его результаты в своей работе.