Тема: Спектральные приборы. Изучение спектра поглощения крови.
1. Спектральный анализ. Его возможности и преимущества перед другими физико-химическими методами исследования структуры вещества.
2. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами.
3. Схема регистрации спектров испускания. Обобщенная оптическая схема спектрального прибора. Классификация спектральных приборов (по способу регистрации спектра, по типу диспергирующего элемента). Типы спектров испускания.
4. Схема регистрации спектров поглощения. Качественный анализ по спектрам поглощения. Спектр поглощения крови.
5. Градуировка спектроскопа. Расшифровка спектра поглощения крови.
1. Спектральный анализ. Его возможности и преимущества перед другими физико-химическими методами исследования структуры вещества
В спектральных методах анализа используется способность атомов и молекул поглощать и испускать электромагнитное излучение. Качественный и количественный спектральный анализ проводят, изучая спектры поглощения или испускания.
К особенностям и преимуществам спектрального анализа, определившим многообразие его применения, можно отнести следующее:
Универсальность метода, т.е. общность схем проведения анализа любого объекта.
Быстрота измерений и возможность их автоматизации.
Высокая избирательность, позволяющая одни элементы определять в присутствии других без предварительного разделения.
Возможность обнаружения и определения очень малых содержаний (следов) элементов в различных веществах.
2. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами. Атомные и молекулярные спектры.
2.1 Механизм возникновения спектров поглощения и спектров испускания вещества
Известно, что любое вещество характеризуется определенным набором энергетических состояний. Это значит, что частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) могут обладать не любой энергией, а лишь соответствующей тому или иному энергетическому состоянию. Условно энергетические состояния вещества изображаются в виде горизонтальных прямых-энергетических уровней (Рис. 1).
Каждому энергетическому уровню соответствует определенное значение энергии (Е1, Е2, Е3 и т.д. - дискретность уровней энергии), которую измеряют чаще всего в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ – это энергия, которую приобретает электрон, двигаясь в электрическом поле при разности потенциалов 1В (1эВ=1,602•10-19Дж).
Частицы, обладающие минимальной возможной для них энергией, называют невозбужденными, а состояние, в котором они находятся, - нормальным или основным. Основному состоянию частицы соответствует самый нижний уровень (Е0), который называется нулевым или основным. Путем внешнего воздействия частицам вещества можно сообщить дополнительную энергию (энергию возбуждения), поглотив которую, они из нормального состояния перейдут в возбужденное. Определенному возбужденному состоянию соответствуют в зависимости от количества поглощенной энергии различные энергетические уровни (Е1, Е2, Е3 и т.д.). При этом чем выше расположен энергетический уровень, тем большей энергии он соответствует.
Процесс поглощения энергии частицами вещества обозначают стрелками, направленными вверх, а процесс испускания – стрелками направленными вниз (Рис 1.) Упрощенно переход между электронными энергетическими уровнями атома соответствует энергии, необходимой для перемещения электрона с одной орбитали на другую. При поглощении и испускании энергии в виде квантов электромагнитного излучения получаются соответственно спектры поглощения и спектры испускания вещества.
Электромагнитное излучение одновременно проявляет свойства, характеризующие его как электромагнитную волну и как поток частиц – квантов (фотонов), обладающих энергией Е=h•ν=h•c/λ; где h-постоянная Планка, ν - частота излучения, λ - длина волны. Чем меньше длина волны, тем больше проявляются квантовые свойства излучения.
Если вещество подвергнуть энергетическому воздействию, например, направив на него световой поток, то частицы вещества, поглощая энергию квантов света, будут переходить на более высокие энергетические уровни. Однако будут поглощаться не все кванты света, а лишь те, энергия которых равна разности энергий уровней, между которыми совершается переход:
ΔЕ=Еm-Еn= h•ν, (1)
где Еm- энергия, соответствующая энергетическому уровню, на который перешла молекула в результате поглощения; Еn- энергия, соответствующая энергетическому уровню, на котором находилась молекула до поглощения). При обратном переходе частицы вещества будут отдавать избыток энергии в виде квантов света, энергия которых равна разности энергий уровней, между которыми совершается переход. Каждый такой переход требует кванта определенной частоты (длины волны), которую можно подсчитать по формуле (1).
Теоретически данное вещество может поглощать (испускать) кванты стольких различных частот (длин волн), сколько для него возможно различных переходов между уровнями. Однако вероятность таких переходов, сопровождающихся поглощением или излучением квантов света, различна. Зависимость вероятности поглощения от длины волны излучения определит спектр поглощения вещества. Вероятность же перехода частиц вещества c одного энергетического уровня на другой при облучении их светом определенной длины волны характеризуется показателем поглощения вещества k при этой длине волны. Поэтому при фотоэлектрической регистрации спектр поглощения вещества представляет собой график зависимости показателя поглощения k от длины волны k(λ). Спектр испускания вещества при фотоэлектрической регистрации представляет собой график зависимости интенсивности электромагнитного излучения вещества от длины волны I(λ). При этом интенсивность излучения конкретной длины волны веществом определяется количеством излученных квантов данной длины волны.
Каждое вещество имеет свой набор энергетических уровней, отличаясь от других веществ числом уровней, разностью их энергий и различной вероятностью переходов. Поэтому спектры разных веществ отличаются друг от друга как частотами излучаемых или поглощаемых квантов, так и их числом. Это обстоятельство и позволяет, изучив спектр вещества, сделать выводы о его химическом составе.
3. Схема регистрации спектров испускания. Обобщенная оптическая схема спектрального прибора. Классификация спектральных приборов (по способу регистрации спектра, по типу диспергирующего элемента). Типы спектров испускания