Спектр. Спектрдің түрлері

Кіріспе

 

 

Заттың сызықты спектрін зерттеу арқылы ол қандай химиялық элементтерден  тұратының және әр бір элемент оның құрамында қанша мөлшерде екенін анықтауға болады.

Үлгідегі элементтің сандық мөлшерін анықтау үшін осы элементтің жеке спектр сызығының интенсивтілігінің үлгідегі сандық мөлшері белгілі элементтің интенсивтілігімен салыстыру арқылы анықтайды.

Заттың сапалық және сандық құрамын оның спектрі арқылы анықтау әдісі спектралды талдау деп аталады. Спектралды әдіс пайдалы қазбаларды іздегенде, кеңнің химиялық құрамын анықтауда кең қолданылады. Өнеркәсіпте спектралды талдау әдісі керекті қасиеттері бар материалды алу үшін металдарға қосылатын қоспаларды бақылау үшін қолданады.

Спектралды талдау әдісінің артықшылығы оның жоғары сезімталдығы және нәтиженің жылдам алуы. Спектралды талдау әдісі арқылы г үлгіде г алтынды бар екенің анықтауға болады. Спектралды талдау әдісі арқылы металдың маркасын бірнеше ондаған секунда анықтауға болады.

Спектралды әдіс жерден миллиардтаған жарық жылдары қашықтықта орналасқан аспан денелерінің химиялық құрамын анықтауға мүмкіндік береді. Жұтылу спектрлері бойынша жұлдызаралық кеңістікте суық газадрдың, жұлдыздардың және планеталар атмосферасының химиялық құрамын анықтайды.

Ғалымдар спектрлерді зерттеу барысында тек аспан жұлдыздарының химиялық құрамын ғана емес, сонымен қатар оның температурасын да анықтаған. Спектралды сызықтардың жылжуы арқылы аспан денелернің жылдамдығың анықтауға болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Спектр. Спектрдің түрлері

 

Спектр – бұл жарықтың құрама бөліктерге бөлінуі, яғни түрлі түсті сәулелерге бөлінуі. Заттың спекрі дегеніміз толқын ұзындықтары бойынша реттелген, затпен шығарылатын, жұтылатын, шағылатын немесе сынатын  электромагнитті сәулелену. Зарядталған бөлшектедің шапшан қозғалысы кезінде электромагнитті толқындар пайда болады. Затқа температурамен, электрондар ағынымен, белгілі бір толқын ұзындығына тең жарық  ағынымен (электромагнитті энергиямен) әсер етіп спектрді алады.

Көптеген заттардың сәулеленуінің спектр құрамы әр түрлі болып табылады. Бірақ, осыған қарамастан, тәжірбие көрсеткенде бір-бірінен елеулі айырмашылығы бар бүкіл спектрлерді 3 түрге бөлуге болады.

Спектралды сызықтың толқын ұзындығынан басқа тағы бір басты қасиетті бар – ол интенсивтілігі. Шығару спектрінің интенсивтілгі, қозған заттың атомдары немесе молекулалары шығаратын энергияға байланысты.

Шығару спектрлерінің спектралды сызықтарының интенсивтілігің (І) шамасын келесі формула бойынша анықтауға болады

 

 

 

 

мұндағы – (1) күйден (2) күйге көшкен спектралды сызықтың толқын ұзындығы, м;

               – Энштейн коэффициеті. Ол (1) күйден (2) күйге фотонды шығару арқылы көшуін анықтау мүмкіндігі;

- (1) күйдегі атомдар  немесе молекулалар саны.

Формулада сызықтын интенсивтілігі мен қозған атомдар немесе молекулалар саны арасындағы байланыс көрініп тұр. Қозған атомдар (молекулалар) саны көп болған сайын, спектралды сызықтың интенсивтілігі жоғары болады. Сондықтан спектралды сызықтын интенсивтілігін анықтай отырып, қозған атомдар (молекулалар) санын анықтауға болады, яғни сандық құрамын анықтайды.

Шығару спектрлері атомның энергиясы азайған кездегі ауысуларға негізделген. Осындай ауысулар өздігінен жүреді, өйткені әр бір жүйе минималды потенциалды энергия қорына ие болғысы келеді.

Жұтылу спектрлері атом сәулеленуін жұтқан кезде энергиясы көбейетін ауысулармен байланысты. Осындай ауысулар мәжбүрленген деп аталады, өйткені олар атомның фотонмен өзара әсерлесу кезінде ғана пайда болады. Сондықтан жұтылу спектріндегі сызықты спектрлердің интенсивтілігі тек сәулеленуді жұтатын бөлшектердің санына ғана байланысты емес, сонымен қатар олар жұта алатын фотондар санына да байланысты.

Жұтылу спектріндегі спектралды сызықтардың интенсивтілігін келесі формула бойынша анықтауға болады:

 

 

 

 мұндағы, – Энштейн коэффициеті. Ол атомның (молекуланың)               фотонмен өзара әсерлесу кезіндегі, (2) күйден (1) күйге электронды ауысудын анықтау мүмкіндігі;

- (2) күйдегі атомдар  немесе молекулалар саны;

              - берілген толқын ұзындықтағы сәулелену тығыздығы,                                                                                                                                  яғни бірлік көлемдегі фотон энергиясы.

Оны келесі формула бойнша анықтауға болады:

 

 

 

мұндағы - толқын ұзындығының фотондар саны.

 

Мұнда спектралды сызық интенсивтілігі бірлік көлемдегі, бірлік уақыт ішіндегі атомдармен (молекулалармен) жұтылатын энергия мөлшеріне сәйкес келеді.

Спектралды сызықтардың (толқын ұзындықтарын) орналасуын және интенсивтілігін анықтайтын, барлық спектрден жеке монохроматты құраушыларды бөліп алу және олар тасымалдайтын энергияны мөлшерін өлшеу үшін аспап қажет. Монохроматизация үшін жие жарықфильтрлері қолданылады. Олар спектралды құрамды немесе оған түсетін сәулеленудің энергиясын өзгертетін құрал. Жарықфильтрлердің негізгі қасиетіне оның өтімділігі болып келеді. Егер белгілі бір интервалда өтімділік толқын ұзындығына тәуелсіз болса, онда осындай фильтрді бейтарап, немесе сұр,тағы да – селективті деп атайды. Селективті фильтрлерді жіңішке спектралды аймағын бөліп алу үшін немесе спектрдің кең аймағын бөліп алу үшін қолданылады.

  

 Үздіксіз спектр

 

Күнгей спектр немесе доғалық шам спектрі үздіксіз болып келеді. Бұл спектрде толқынның барлық ұзындығы бар екенін көрсетеді. Спектрде ажырау (разрыв) болмайды және спектогравтың экранында жаппай әр түрлі түсті алқапты көруге болады.

Энергияның жиілік бойынша бөлінуі, яғни сәулеленудің интенсивтілігінің спектралды тығыздығы, әр түрлі денелер үшін әр түрлі болып келеді. Мысалы, өте қара бетті дене барлық жиіліктегі электромагнитті толқындарды шығарады, бірақ сәулелену интенсивтілігің спекралды тығыздығының жиілікке тәуелділігінің қисығы белгілі бір жиілікте максимумға ие болды. Температураны жоғарлатқанда сәулеленудің максимум спектралды тығыздығы қысқа толқындар жағына қарай ығысады.

Тәжірбие көрсеткендей үздіксіз (немесе тұтас) спектр қатты немесе сұйық күйде орналасқан денелерді, одан басқа өте қатты қысылған газдарды береді. Үсдіксіз спектрді алу үшін денені жоғары температураға дейін қыздыру керек

 Үздіксіз спектр сипаттамасы  және оның тіршілік ету фактісінің  өзі тек қана  бөлек сәулеленетін  атомдардың құрамымен анықталмай, одан басқа атомдардың бір  бірімен өзара іс қимылына  тәуелді болып келеді.

Одан басқа үздіксіз спектр жоғары температуралық плазма береді. Көбінесе электрондардың иондармен соқтығысу кезінде электрмагниттік толқындар плазмамен сәулеленеді

   

Сызықтық спектр

 

Газды жанарғының өнсіз жалына қарапайым  ас тұзының ерітіндісіне батырылған асбест кесекті енгіземіз. Спекторскоп құралымен  жалынды бақылаған кезде әрең көрініп тұрған үздіксіз спектрде айқынсарғыш сызық жарқ етеді. Бұл сарғыш сызықты, жалындағы ас тұздың молекулаларын бөлшектекенде пайда болатын, натрий буы береді. Одан басқа спектроскоп құралымен  кең қараңғы алқаптармен бөлінген әр түрлі жарықтықтағы түсті сызықтардың шарбақтарын көруге болады. Осындай спектірлерді сызықтық спектр деп атайды. Сызытық спектрдің бар болуы заттың жарықты белгілі бір толқын ұзындықта шығаратынын білдіреді (яғни, белгілі бір өте тар спректалды аралықта). Сызықтардың әр біреуі түпкі енге ие болады.

    Сызықтық спектрлер  бүкіл заттарды газды атомдық (бірақ молекулалы емес)   түрде  береді. Сол себебті жарық бір  бірімен мүлде өзара араласпайтын  атомдармен сәулеленеді.

  Берілген химиялық элементтің оқшауланған атомдары белгілі бір ұзындықтағы толқындарды шығарады.

    Көбінесе сызықтық спектрлерді бақылау үшін жалындағы заттын буының жарқырауын немесе  анықтайтын газбен толтырылған құбырдағы газдық разрядтын жарқырауын қолданады.

    Атомдық газдың  тығыздығы жоғарланған жағдайда  бөлек тұрған спектірлік сызықтар  үлкейеді және газдың тығыздығы  өте үлкен болған жағдайда, атомдардың  өзара араласуы елеулі болғанда  үздіксіз спектр пайда болып, бұл сызықтар бір бірін жабады.

 

Жолақтық спектр

 

Жолақтық спектр қараңғы аралықтармен бөлінген жеке жолақтардан тұрады. Өте жақсы спектралды аппарат арқылы әрбір жолақ өте тығыз  орналасқан сызықтардың жиынтығынан тұратынын көрсетеді. Сызықтық спектрлерге қарағанда жолақтық спектрлер бір бірімен әлсіз байланысқан немесе байланыспаған молекулалардан құралады.

Молекулардың спектрлерін және де сызықтық спектрлерді бақылау үшін көбінесе жалындағы бу жарқырауын немесе газ разрядтын жарқырауын қолданады.

 

Жұтылу спектрі.

 

Қозған күйдегі барлық заттардың атомдары, энергиясы толқын ұзындығы бойынша бөлінген, жарық сәулелерін шығарады. Затпен жарықтың жұтылуы толқын ұзындығына тәуелді болып келеді. Осылай қызыл шыны қызыл жарыққа (-5 см) сәйкес келетін толқындарды өткізеді де, ал қалған сәулелерді жұтады.

   Егер суық, сәуле  шығармайтын газ арқылы ақ  жарық өткізсе, онда үсдіксіз  спектрде қара сызықтар пайда  болады. Газ  қатты қыздырылған  күйде шығаратын  жарықтың  толқын  ұзындықтарын  ең қарқынды жұтады. Үздіксіз спектр айналасындағы  қараңғы сызықтар  -  бұл жұтылу  спектр жиынтығын құрайтын жұтылу  сызықтары.

    Сәулеленудің  үздіксіз, сызықтық, жолақтық спектрі  бар және сонша жұтылу спектрі  сәйкес келеді. Бізді қоршаған  денелер неден тұратын білу  керек. Олардың құрамын анықтау  үшін көптеген тәсілдер ойлап  тапқан. Бірақ жұлдыздар мен ғаламшардың  құрамын тек қана спектрлік  талдау әдістері арқылы білуге  болады. 

 

 

 

1.1 Спектралды талдау әдісі.

 

 Әр түрлі заттардың шығару немесе жұтулу сызықты спектрі бойынша химиялық құрамын анықтау әдісі спектралды  талдау деп аталады. Спектралды талдау әдісіне кішкене ғана зерттеліп отырған заттың мөлшері жеткілікті. Бұл әдістің жылдамдығы және сезімталдығы оны зерттеханада да, астрфизикада да алмастырылмайтын етіп қылды. Өйткені Менделеев кестесіндегі әр бір элемент өзіне ғана тән сызықты спектрді шығарады және жұтады. Осыған байланысты заттың химиялық құрамын анықтауға болады. Осылай ең бірінше рет спектроскопты ойластырып тауып және заттың құрамын анықтаған 1859 жылы Кирхгоф пен Бунзен. Жарық бір жақ шетінен кесілген дүрбінің тар саңылауы арқылы өтеді (саңылауы бар түтік коллиматор деп аталады). Коллиматордан сәулелер призмаға түсті. Призма ішінен қара қағазбен жапсырылған жәшікпен жабылған.Саңылаудан шыққан сәулеллерді призма жан-жаққа шашыратты. Осыдан спектрлер пайда болды. Содан кейін коллиматордың саңылауның алдына жанарғыны қойды. Шамның жалынына кезек кезектен әр түрлі заттардың кесектерін салып отырды және пайда болған спектрлерге екінші дүрбі арқылы қарап отырды.

Әр элементтің қызған буы белгілі бір түсті сәулелер беріп отырды. Ал призма оларды белгілі бір жерге ғана ауытқытып отырғандықтан, олар бір-бірін қосылған жоқ. Осыған байланысты жаңа химиялық талдау әдісі пайда болды.

Спектралды талдау әдісінің үлкен талдамалығына байланысты бір ғана құрылымды сұлба,бір ғана аспап  арқылы әр түрлі заттарды зерттеуге болады.

Спектралды талдау әдісінің сұлбасы. Спектралды талдау әдісінің негізінде зерттелетің заттпен шығарылатын немесе жұтылатын жарықтың құрылымын зерттеу болып табылады. Спектралды талдау әдісі эмиссионды (эмиссия – шығару) және абсорбционды ( абсорбция – жұту) болып бөлінеді.

Ең бірінші эмиссионды спектралды талдау әдісінің сұлбасын қарастырайық (сурет 1,а). Зат жарықты шығару үшін оған қосымша энергияны беру керек. Сонда зерртеліп отырған заттың атомдары және молекулалары қозған күйге көшеді. Қалыпты күйге келгенде олар артық знергияны жарық түрінде шығарады. Қатты немесе сұйық денелермен щығарылатын жарықтын қасиеттері заттың химиялық құрамынан өте аз тәуелді болады,сондықтан оны талдауда қолдануға келмейді. Ал газдардың шағылуы басқаша қасиеттерге ие. Ол талданатын үлгінің құрамымен анықталады. Осыған байланысты эмиссионды талдауда қоздыру алдында затты буландыру керек.

 

 

а – эмиссионды; б – абсорбционды;

1 – жарық көзі; 2 – жарықтандырғыш  конденсатор; 3 – талданатын үлгі  үшін кювет; 4 – спектралды аппарат; 5 – спектрді тіркеу; 6 – спектралды  сызықтардың немесе жолақтардың  толқын ұзындықтарын анықтау; 7 –  үлгінің кестелер және атластар  арқылы сапалық талдауы; 8 – сызықтардың  және жолақтардың интенсивтілігін  анықтау; 9 – градуиреленген график  арқылы үлгінің сандық талдауы 

 

Сурет 1 – Спектралды талдау әдіснің құрылымдық схемасы

 

Талданатын  үлгі енгізілетін  жарық көздерінде қоздыру және булану  жүреді. Жарық көзі ретінде жоғары температуралы жалын немесе газадардағы  әр түрлі  электрлік разрядтар : доға, ұшқын және т.б қолданылады. Керекті қасиеттерге ие электрлік разрядты алу үшін генераторларды қолданады.

Жарық көздеріндегі жоғары температура (мыңдаған және он мыңдаған градус) көптеген заттардың молекулаларының атомдарға бөлінуіне әкеледі. Сондықтан эмиссионды әдісді атомдық талдау үшін, ал молекулалық талдау үшін өте сирек қолданылады.

Жарық көзінің сәуленуі үлгідегі барлық элементтер атомдарының сәулеленулерінің қосындысынан тұрады.  Талдауға әрбір элементтің сәулеленуін бөліп алу керек. Ол оптикалық аспатар – спектралды аппараттардың көмегімен жүзеге асады. Оның ішінде кеңісткте әр түрлі толқын ұзындықтарына ие жарық сәулелері бір-бірінен бөлінеді. Аспапқа түскен әр толқын ұзындығының жарық тербелісі бір сызықты құрастырады. Осылай спектарлды аппартаттар құралған. Жарық көзінің сәулеленуінде қанша түрлі толқындар болды, сонша спектралды аппартта сызықтар пайда болады.