Раздел 1. Оптические методы анализа Введение
Спектральные и другие оптические методы анализа основаны на использовании различных явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения.
Часть этих методов основана на измерении длины волны, интенсивности и других характеристик света, излучаемого атомами и ионами в газообразном состоянии (эмиссионный (излучение) спектральный анализ, пламенная эмиссионная спектроскопия). Другая часть (абсорбционная спектроскопия) – на измерении интенсивности излучения при его прохождении через слой вещества (фотоколориметрия, спектрофотометрия, ИК-спектроскопия, атомно-абсорбционный спектральный анализ, фотометрическое титрование, турбидиметрия), или его рассеивании – нефелометрия.
Вторя группа методов относительно проста, не требует много времени для выполнения анализа и поэтому широко используется в промышленных и исследовательских лабораториях химического профиля и мониторинга окружающей среды для определения малых и следовых количеств компонентов. Этой группе методов посвящено более 60% публикаций, связанных с анализом неорганических и органических объектов.
По этой причине данной группе методов, ни в коей мере не принижая значения других оптических методов, в том числе и не названных выше, посвящены данные методические указания.
Методы абсорбционной спектроскопии имеют высокую чувствительность (низкий предел обнаружения), избирательны и точны. Особенно ценным является возможность определения примесей (до 10-5 - 10-6 %) и избирательность, позволяющая проводить определение компонентов в сложных пробах без химического разделения компонентов. Относительная погрешность методов составляет 1-3%.
Природа и свойства электромагнитного излучения
Атомы и молекулы обладают ограниченным числом дискретных или квантовых уровней энергии, низший из которых отвечает основному состоянию. Если системе сообщить достаточное количество энергии, например путем бомбардировки электронами или путем поглощения электромагнитного излучения, то атомы или молекулы возбуждаются, т.е. переходят на более высокий энергетический уровень. Время жизни в возбужденном состоянии, как правило мало (10-8с), возвращения на более низкий уровень энергии или в основное состояние сопровождается выделением энергии в виде тепла или электромагнитного излучения, либо того и другого одновременно.
Электромагнитное излучение представляет собой вид энергии, который распространяется с огромной скоростью. Прохождение электромагнитного излучения в пространстве связано с периодическим изменением электрической и магнитной компонент, которые могут взаимодействовать с веществом. Сочетание колебательного и поступательного движения создает волновое движение электромагнитного излучения (рис. 1).
Рисунок 1 – Волновое движение света
Рисунок 2 – Спектр электромагнитного излучения: 1 – микроволновая; 2 – дальняя инфракрасная; 3 – ближняя инфракрасная; 4 – видимая; 5 – ближняя ультрафиолетовая; 6 – дальняя ультрафиолетовая; 7 – область рентгеновского излучения; 8 – область γ-излучения.
Длину волны электромагнитного излучения измеряют в следующих величинах:
1 мкм /микрометр/ = 10-6 м = 10-4 см
1нм /нанометр/ = 10-9 м = 10-7см
1 А0 /ангстрем/ = 10-10 м = 10-6 см
Видимый свет представляет собой электромагнитное излучение, которое способен воспринимать человеческий глаз. Из рис. 2 видно, что область видимого света – это лишь небольшая (320-750 нм) часть спектра электромагнитного излучения. Ультрафиолетовое излучение охватывает область от 10 до 380 нм, а инфракрасное от 0,75 до 300 нм.