Спектр. Спектрдің түрлері

Элементтердің атомды спектрлері жеке сызықтардан тұрады, өйткені атомдардың сәулеленуінде белгілі бір ғана толқындар болады (сурет 2, а). Қыздырылған қатты немесе сұйық денелердің сәулелену кезінде әр түрлі толқын ұзындығына ие жарықтар болады. Спектралды аппаратта жеке сызықтар бір-бірімен қосылады. Осындай сәулеленуде тұтас спектр болады ( сурет 2, в). Жоғары температурада бөлінбеген заттың  молекалалы спектрлері, атомдардың сызықты спектрлерінен қарағанда жолақты болады (сурет 2, б). Әр жолақ жақын орналасқан сызықтардан көп санынан құрастырылған. Спектрде сызықтың интенсивтілігі жоғары болған сайын, негативтегі оның орны қарарақ болып келеді.

 

 

Сурет 2 – Спектрдің түрлері

 

Сапалық талдау кезінде, талданып жатқан үлгінің спектріндегі қай сызық қай элементке жататының анықтау керек. Ол үшін сызықтың спектрде орналасуы бойынша толқын ұзындығын табу керек. Сосын кестелер бойынша қандай элементке сәйкес келетінің анықтайды. Фотографиялық пластинадағы спектр бейнесін үлкейту үшін және толқын ұзындығын анықтау үшін өлшегіш микроскоптар, спектропроекторлар және т.б көмекші асапатар қолданылады.

Спектр сызықтарының интенсивтілігі үлгідегі элементің концентрациясы өскен сайын өседі. Сондықтан сандық талдауды жүргізу үшін, анықталатын элементтің бір спектралды сызығының интенсивтілігінің анықтау керек. Сызықтың интенсивтілігін спектр бейнесіндегі (спектрограмма) оның қараюмен немесе спектралды аппараттан шыққан жарық ағынының шамасымен өлшейді. Спекграммадағы сызықтын қараю шамасын микрофотометрлерде анықтайды.

Абсорбционды спектралды талдау әдісін өткізу сұлбасы ( сурет 1, б) эмиссионды әдістен бастапқы бөлгімен ғана ажыратылады. Жарық көзі ретінде қыздырылған қатты дене немесе басқа тұтас сәулелену шығаратын, яғни кез келген толқын ұзындықтарымен сәулеленетін жарық көзі қолданылады. Зерттелетін үлгіні спектралды аппарат пен жарық көзі арасында орналастырады. Тұтас жарық осы зат арқылы өткенде интенсивтілігі азайған толқын ұзындықтары осы заттың спектрін құрастырады (сурет 3). Заттың жұтылу спектрін графикалық түрде бейнелеген ыңғайлы. Абсцисса бойынша толқын ұзындығын, ал ордината бойынша – жарықтың затпен жұтылуын салады.

 

Сурет 3 – Жұтылу спектрлердің графикалық түрі

 

Жұтылу спектрлерін спектралды аппаратттар – спектрофотометрлер арқылы алады. Олардың құрамына тұтас жарықтың көзі, монохроматор және тіркейтін құрал кіреді.

Ал былай абсорбционды және эмиссионды талдаудың сұлбалары ұқсас болып келеді.

Осылайша, шығару немесе жұтылуы спектрлері бойынша спектралды талдауға келесілер кіреді:

- зертттелетін үлгінің  спектрлерін алу;

- спектралды сызықтардың  немесе жолақтардың толқын ұзындықтарын  анықтау. Сосын кестелер немесе  атластар арқылы оның қай элементке  жататының анықтау, осы арқылы  үлгінің сапалық құрамын табу;

- Белгілі бір элементке  немесе қоспаға жататын спектралды  сызықтардың немесе жолақтардың  интенсивтілігін өлшеп, сосын эталондардың градуиреленген графигі арқылы талданып отырған үлгідегі олардың концентрациясын анықтау. Яғни сандық құрамын анықтау.  

 

1.2 Спектральды  талдаудың қолданылуы

 

Сызық спектрлер маңызды рөл атқарады, өйткені олардың құрылымы атом құрылымымен тікелей байланысты. Осы спектрлер ішкі  әсерлерге төзімді  атомдардан жасалады. Сондықтан, сызық спектрларды қарастыру арқылы  біз атом құрылысымен танысамыз.

Осы спектрларды қарастыру арқылы ғалымдар атомның ішкі құрылысын көруге мүмкіндік алды. Мұнда оптика атомдық физикамен тығыз байланысады. Сызық спектрлардың басты қасиеті  қандай да бір заттың сызық спектрі толқындарының ұзындығы (немесе жиілігі) осы заттың атомының қасиетіне байланысты болып келеді, бірақ  атомдардың сәуле таратуларының қоздыру тәсілдеріне байланысты емес.

Түрлі химиялық элементтердің атомдары басқа элементтердің спектрларына ұқсамайтын спектр береді, олар  толқын ұзындықтарының айқын да нақты жиынтығын сәулелендіре алады.

    Спектралды талдау  осыған негізделген, яғни заттың  химиялық құрамын оның спектрі  арқылы анықтау тәсілі. Сызық  спектрлардың қайталанбас өзіндік  ерешелігі бар. Адам саусақтарының  терісіндегі қайталанбас өрнектер  қылмыскерді табуға көмектеседі. Дәл солай спектрдің ерекшелігіне  қарап дененің химиялық құрамын  анықтауға болады. Спектральды талдау  бойынша берілген элементті  массасы 10-10 нан аспайтын күрделі заттың  құрамын да табуға болады.

Заттың құрамының сапалық талдауы  қиындатылған, өйткені спектралды сызықтардың жарықтығы заттың массасына ғана емес, оның сәуле таратуларының қоздыру тәсілдеріне де байланысты болады. Төмен температураларда көптеген спектральды сызықтар пайда болмайды. Бірақ  сәуле тарату қоздыруының стандартты шарттарын сақтау арқылы сапалы спектралды талдау жүргізуге болады.

Қазіргі уақытты барлық атомдардың спектрлары анықталған және спектрлардың таблицасы құрастырылған. Спектральды талдау бойынша көптеген жаңа элементтер ашылды: рубидий, цезий және т.б.

Элементтерге көбінесе спектрдің ең белсенді сызықтарының түсімен байланысты   атаулар беріп отырды.

Рубидий қызыл түсті, рубинді сызықтарды береді. Цезий сөзі көкшіл дегенді білдіреді. Ол цезий спеткрінің негізгі сызықтарының түсі.

Спектралды талдау арқылы күн мен жұлдыздардың химиялық құрамын анықтады. Осы жағдайда талдаудың басқа тәсілдерін жүргізу мүмкін емес. Жұлдыздар да Жерде бар химиялық элементтерден құралады.

Гелийді алғаш Күн планетасында  ашқан, содан кейін ғана жер атмосферасында тапқан. Осы элементтің атауы оның ашылуының тарихын еске түсіреді; яғни гелий сөз аударғанда күндік дегенді білдіреді.

Салыстырмалы қарапайымдылығы мен әмбебаптылығына қарай спектральды талдау металлургия, машина жасау және атом индустриясында  заттың құрамын бақылауының негізгі әдісі болып келеді.Спектральды талдау көмегімен минералдар мен кендердің химиялық құрамын анықтайды.

Күрделі, органикалық қоспалардың құрамы олардың молекулярлы спектрларымен талданады.

   Спектралды талдауды шығару спектрі арқылы ғана емес, сонымен қатар жұту спектрі арқылы да өндіруге болады.Күннің және жұлдыздардың спектрындағы жұту сызықтары  аспан денелерінің химиялық құрамын зерттеуге мүмкіндік береді. Күннің жарқырап тұрған беті фотосфера үздіксіз спектрді береді.    

Күн атмосферасы фотосферадан жарықты таңдап жұтады, фотосфераның үздіксіз спектрінің фонында жұту сызықтарының пайда болуына әкеледі. 

Күн атмосферасы да жарық шығарады. Күн тұтылу кезінде күн дискі Аймен жабық тұрғанда, спектр сызықтарының айналуы пайда болады. Жұту сызықтарының орнына күн спектрында сәулелендіру  сызықтары жарқ етеді.

Астрофизикада спектральды талдау дегенде  жұлдыздар, газды бұлттардың және т.б. химиялық құрамын анықтау ғана емес,  сонымен бірге спектрлар бойынша осы объектілердің, яғни температура, қысым, қозғалыс жылдамдығы, магниттік индукцияның көптеген басқа физикалық мінездемелерін  табу болып келеді. 

Спектральды талдауды астрофизикадан басқа криминалистикада, қылмыс орнында табылған айғақтарды табу үшін   кең қолданады.

Спектральды талдау криминалистикада өлім құралын  анықтауға және  кейбір жеке қылмыстарды ашуға жақсы көмектеседі

Спектральды талдау медицинада кеңінен қолданылады.  Мұндағы оның қолданысы өте зор. Оны диагностика жасау үшін және де  адам ағзасындағы бөтен заттарды анықтау үшін   қолдануға болады.

 Спектральды талдау  ғылымды ғана емес, сонымен қатар  адам қызметінің қоғамдық сферасын  үдейді.

Спектральды талдау үшін арнаулы спектралды құралдар қажет. Оларды біз ары қарай қарастырамыз.

 

 

1.3 Спектралды аппараттар

 

Спектрлерді дәл зерртеу үшін жарық түйінің шектейтің тар саңылау және призма сияқты жай құрылғылар жеткіліксіз.

Сондықтан, әр түрлі толқын ұзындықтарына жақсы бөлетін және спектрдің жеке аймақтарын жабпайтын, нақты спектр беретін аспап қажет. Осындай аспаптарды спектралды аппараттар деп атайды. Спектралды аппараттың негізгі бөлігі ретінде жие призма немесе дифракциялық тор болып табылады. Призмалы спектралды аппараттың сұлбасын қарастырайық

 

 

Сурет 4 – Призмалы аппараттың сұлбасы

 

Зерттелетің сәлелену басында коллиматор деген аспаптың бөлігіне түседі. Коллиматордың бір соныңда тар саңылауы бар перде орналасқан, ал екінші соныңда – жинақтаушы линза. Саңылау линзадан фокустық қашықтықта орналасады. Сондықтан линзаға саңылаудан түскен және таралған жарық түйіні оның ішінен параллель түйін ретінде шығып, призмаға түседі.

Әр түрлі жиіліктерге әр түрлі сыну көрсеткіші сай келгендітен, призмадан шыққан параллель түйіндердің бағыттары сәйкес келмейді. Олар линзаға түседі. Осы линзаның фокустық қашықтығында экран орналасады. Экран күңгірт шыны немесе фотопластинка түрінде болады. Линза экранда сәулелердің параллель түйіндерін фокустайды және бір бейне үшін бір қатар бейне береді. Әр бір жиілікке (тар спектралды интервал үшін) өзіннің бейнесе сәйкес келеді. Осы барлық бейнелер бірігіп спектрді құрастырады.

Аталып кеткен аспап спектрограф деп аталады. Егер екінші линза мен экран орнына, спектрлерді визуалды көру үшін көру түтігі қолданса, онда осы аспап спектроскоп деп аталады. Спектралды аппараттардың призмаларын және басқа да бөлшектерін тек  шыныдан жасау міндетті емес. Шынының орнына кварц, тұз тасы сияқты және т.б мөлдір материалдар қолданылады. Спектралды аппаратта спектрге бөлінген жарықты визуалды, фотосурет немесе фотоэлектрлік аспап арқылы тіркеуге болады. Спектралды аппараттын конструкциясы спектрді тіркеу әдісіне байланысты. Спектрлерді визуалды бақылау үшін спектроскоптар – стилоскоптар және стилометрлер қолданылады. Спектрлерді суретке түсіру спектрографпен жүзеге асырылады.  Монохроматрлар – спектралды аппараттар арқылы белгілі бір толқын ұзындығына тең жарықты бөліп алуға болады. Сосын ол фотоэлемент немесе басқа электрлік жарық қабылдағышпен тіркеледі.

 

 

2 Атомды - абсорбционды талдау әдісі

 

Атомды-абсорбционды талдау әдісі – (атомды-абсорбционды спектрометрия) атомның жұтылу спектрлері бойынша заттың элементтік сандық құрамын анықтайтын әдіс.

Атомды-абсорбционды әдіс зерттелетін будың жіңішке сәулелернің атомдармен жұтылу заңына негізделген. Ол келесі формуламен анықталады.

 

 

 

мұндағы, – ν-дан ν+dν дейінгі жиіліктегі, қалыңдығы l жұтатын буға түсетін сәулеленудің интенсивтілігі

 – сол жиілік арлықтағы  өткен сәулеленудің интенсивтілігі

 – белгілі бір аралықта ғана тұрақты болатын, жұтылу коэффициенті.

Атомды-абсобционды спектроскопия 3 әдісі болады:

• сызықты спектр көзінің қолдануымен;
• тұтас спектр көзінің  қолдануымен ;
• бір мезгілде сызықты және тұтас спектр көздерін қолдануымен.

 

Бірінші әдіс сызықты жұтылу деген атқа ие болды. Екінші - толық жұтылу әдісі. Үшінші – қосарланған әдіс.

Атомизатор көмегімен алынатын, үлгінің атомды булары арқылы 190-850 нм диапазонында сәулелену өткізеді. Нәтижесінде жарық кванттарын жұтып, атомдар қозған күйге көшеді. Атомды спектрлерде осындай ауысуларға резонансты сызықтар сәйкес келеді. Олар тек осы элементке тән. Бугер-Ламберт-Бер заңына сәйкес оптикалық тығыздық  элементтің концентарцияның мөлшері болып келеді. Ол келесі формула бойынша анықталады:

 

 

мұндағы,  және – жұтылу қабаты арқылы өткенге дейінгі және өткеннен кейінгі сәлелену интенсивтілігі.

 

 

 

 

1 – сәулелену көзі; 2 –  жалын; 3 – монохроматор; 4 – фотокөбейткіш; 5 – тіркейтін немесе көрсететін  аспап.

 

Сурет 5 – Атомды-абсорбционды спектрометрдің құрылымдық сұлбасы

 

Атомды-абсорбционды әдістің аспаптары – жоғары автоматтандырылған атомды абсорбционды спектрометрлер. Спектрометр – көрінетін және көрінбейтін электромагнитті сәулеленулердің интенсивтілігі мен толқын ұзындығын анықтайтын аспап Ол автоматты түрде үлгіні ендіруге және нәтижелерді тіркеуге мүмкіндік береді. Кейбір модельдерінде микроЭЕМ орнатылған. Мысал ретінде ( сурет 5) суретте спектрометрдің құрылымдық сұлбасы көрсетілген. Спектрометрлерде сызықты сәулеленудің көзі ретінде жиі неонмен толтырылған бірэлементті шамдар қолданылады. Кейбір жеңіл элементтерді (Cd, Zn, Se, Те және т.б) анықтау үшін электродсыз жоғары жиілікті шамдарды қолданған қолайлы.

Үлгінің атомизациялық күйге ауыстыру және белгілі бір формадағы жұтылатын будың қабатын қалыптастыру жұмыстары атомизаторда жүреді. Атомизатор ретінде жалын немесе түтікшелі пеш қолданылады. Жиі ауаның ацетилинмен қоспасы (максималды температура 2000°С ) және мен ацетиленмен қоспасы (2700°С).

Кедергінің түтікшелі пештерін көбінесе графиттің тығыз түрлерінен жасайды. Қабарға арқылы булардың диффузиясын болдырмау үшін және графиттік түтікшенің жұмыс істеу ұзақтығын ұлғайту үшін, оны газ өткізбейтін пирокөміртек кабатымен жабады. Максималды қызу температурасы 3000 °С дейін жетеді. Аз еритің металлдардан (W, Та, Мо) жаслаған, жіңішке қабырғалы пештер аз таралған. Графитті және металлдық пештерді ауада күйіп кетуден сақтау үшін оны жартылайгермитакалық немесе герметикалық камераға орналастырады. Ол арқылы инертті газ (Аr, Nе) жіберіледі.

Жалынның жұтылу аймағына немесе пешке үлгінің енгізілуі әр түрлі тәсілдермен жүргізіледі. Ультрадыбысты шашыратқышқа қарағанда үлгілерді (көп жағадайда жалынға) пневматикалық шашыратқыш арқылы сирек шашады. Пневматикалық шашыратқыштар жұмыста қарапайым және тұрақты болып келеді, бірақ ультрадыбыстыларға қарағанда түзілетін аэрозольдің дисперсиялық дәрежесі бойынша кемшілігі бар. Аэрозорльдің тек 5-15 % ең кіші тамшылары жалынға түседі. Ал қалған бөлігі араластырғыш камераға түсіп науа арқылы шығарылады.