3.1 Регистрация спектров испускания. Обобщенная оптическая схема спектрального прибора

Сначала для получения спектров испускания частицы вещества надо возбудить, сообщив им дополнительную энергию. При этом частицы вещества переходят на возбужденные энергетические уровни. Анализ по спектрам испускания делится на два метода: эмиссионный и люминесцентный, которые отличаются друг от друга только способом возбуждения вещества.

В эмиссионном анализе частицы газов и паров возбуждаются путем электрического разряда, а жидких и твердых тел – путем нагревания до высокой температуры, например в бесцветном пламени газовой горелки.

В люминесцентном анализе частицы вещества возбуждаются квантами электромагнитного излучения, которые направляют на вещество от внешнего источника. Именно люминесцентный анализ находит очень широкое применение в медицине. В возбужденном состоянии частицы вещества находятся очень короткое время (10^-7-10^-8с). Самопроизвольно возвращаясь в нормальное состояние, они испускают избыточную энергию в виде квантов света, которые и составляют спектр испускания вещества.

Чтобы сделать возможным изучение и анализ спектров вещества, надо излучение различных длин волн отделить друг от друга в пространстве, иначе говоря, разложить излучение по частотам (длинам волн). Этот процесс принято называть разложением света в спектр. Осуществляют его на приборах, которые имеют общее название спектральные приборы. Спектральные приборы в основном бывают двух типов: призменные и дифракционные. В первом случае разложение излучения в спектр осуществляется стеклянной или кварцевой призмой благодаря явлению дисперсии света. Во втором случае используется явление дифракции света на дифракционной решетке с большим числом штрихов на 1 мм (от 600 до 1800 штр/мм). Схема призменного спектрального прибора в режиме регистрации спектров испускания приведена на рисунке 2.

Рис.2. Схема призменного спектрального прибора.

Источник излучения (исследуемое вещество в возбужденном состоянии) устанавливается перед входной щелью спектрального прибора. Входная щель (1), выполняющая роль вторичного источника анализируемого излучения, находится в фокусе линзы (2). Свет, проникающий через входную щель (1), линзой (2) преобразуется в параллельный пучок, падающий на боковую грань призмы (3). Вследствие дисперсии света (зависимость показателя преломления от длины волны) в призме лучи света разного цвета (разной длиной волны) преломляются ею на разные углы и тем самым отделяются друг от друга. На выходе из призмы свет каждой длины волны (монохроматический) распространяется в виде параллельного пучка. Однако направление этих пучков определяется длиной волны излучения – угол преломления тем больше, чем меньше длина волны. Линза (4) собирает лучи света разного цвета (длины волны) в разных местах своей фокальной плоскости (5), где и формируется спектр исследуемого излучения.

3.2 Типы спектров испускания

Различают спектры линейчатые, полосатые и сплошные.

Линейчатые спектры состоят из отдельных линий, находящихся на некоторых расстояниях друг от друга. Линейчатые спектры получаются в том случае, если свет испускают отдельные атомы, не связанные в молекулу и не взаимодействующие друг с другом. Они характерны для газов и паров металлов. Визуально линейчатый спектр в видимой области представляет собой набор цветных линий на черном фоне. На рисунке 3 представлен линейчатый спектр атомов водорода.

Рис.3. Линейчатый спектр водорода

Рис. 3 Линейчатый спектр водорода

Полосатые спектры состоят из более или менее широких полос, каждая из которых представляет собой совокупность некоторого числа близко расположенных, а иногда и слившихся линий. Полосатый спектр характерен для молекул. Усложнение спектральной картины объясняется тем, что полная энергия молекулы состоит из энергии электронного движения, энергии колебаний ядер и энергии вращения: E = E_{электронная}+ E_{колебательная}+E_{вращательная}

К олебательная энергия много меньше электронной энергии молекулы, а энергия вращения молекулы много меньше колебательной( E_{электронная} >>E_{колебательная} >>E_{вращательная} ). Каждому из видов энергии для молекул данного вещества соответствует свой набор энергетических уровней. Поэтому система энергетических уровней молекул, в отличие от атомов, содержит целые группы близко расположенных подуровней. При переходах на эти подуровни возбужденных молекул излучаются кванты света, частоты которых различаются незначительно (Рис.4)

Молекулярные полосатые спектры можно получить у веществ в газообразном состоянии. Визуально полосатый спектр в видимой области представляет собой набор цветных полос на черном фоне (Рис. 5)

Рис. 5 Полосатый спектр молекулы

Непрерывный (сплошной) спектр представляет собой множество линий, слившихся друг с другом в виде сплошной широкой полосы. Получается сплошной спектр при разложении по длинам волн излучения раскаленного твердого или жидкого тела. Визуально сплошной спектр в видимой области представляет собой цветную полоску, где все цвета радуги (от фиолетового до красного) плавно сменяют друг друга (Рис. 6)

Рис. 6. Сплошной спектр раскаленного твердого тела (спираль лампочки накаливания)