Spektrinės analizės svarba. Spektrinė analizė ir spektrų tipai

Neseniai draugas Makemanas aprašė, kaip naudojant spektrinę analizę tam tikrą garso signalą galima išskaidyti į jo sudedamąsias pastabas. Truputį abstrahuosime nuo garso ir manykime, kad turime kažkokį suskaitmenintą signalą, kurio spektrinę sudėtį norime nustatyti gana tiksliai.

Po pjūviu pateikiama trumpa harmonikų išgavimo iš savavališko signalo metodo, naudojant skaitmeninį heterodinizavimą ir šiek tiek specialios Furjė magijos, apžvalga.

Taigi, ką mes turime?
Failas su skaitmeninto signalo pavyzdžiais. Yra žinoma, kad signalas yra sinusoidų, turinčių savo dažnius, amplitudes ir pradines fazes, ir galbūt baltojo triukšmo suma.

Ką mes darome.
Naudokite spektrinę analizę, kad nustatytumėte:

• harmonikų skaičius signale ir kiekvienam: amplitudė, dažnis (toliau – bangos ilgių skaičius signalo ilgiui), pradinė fazė;
• baltojo triukšmo buvimas / nebuvimas ir, jei yra, jo standartinis nuokrypis (standartinis nuokrypis);
• pastovaus signalo komponento buvimas / nebuvimas;
• sudėkite visa tai į gražią PDF ataskaitą su „blackjack“ ir iliustracijomis.

Šią problemą išspręsime Java.

Medžiaga

Šiek tiek ypatinga Furjė magija

Inžinerinėje praktikoje periodinių funkcijų išplėtimas į Furjė eilutes plačiai taikomas, pavyzdžiui, grandinės teorijos uždaviniuose: nesinusinis įvesties efektas išplečiamas į sinusoidinių sumą ir apskaičiuojami reikalingi grandinės parametrai, pvz. superpozicijos metodas.

Yra keletas galimų Furjė eilutės koeficientų rašymo variantų, tačiau tereikia žinoti esmę.
Furjė serijos išplėtimas leidžia išplėsti ištisinę funkciją į kitų tęstinių funkcijų sumą. Ir apskritai serialas turės be galo daug terminų.

Tolesnis Furjė metodo patobulinimas yra neatsiejama jo pavadinimo transformacija. Furjė transformacija .
Skirtingai nuo Furjė serijos, Furjė transformacija išplečia funkciją ne į atskirus dažnius (Furj serijos dažnių rinkinį, kurio plėtra paprastai yra diskreti), o į nuolatinius.
Pažiūrėkime, kaip Furjė eilutės koeficientai yra susiję su Furjė transformacijos rezultatu, kuris iš tikrųjų vadinamas spektras .
Mažas nukrypimas: Furjė transformacijos spektras apskritai yra sudėtinga funkcija, kuri apibūdina kompleksinės amplitudės atitinkamos harmonikos. Tai yra, spektro reikšmės yra kompleksiniai skaičiai, kurių moduliai yra atitinkamų dažnių amplitudės, o argumentai yra atitinkamos pradinės fazės. Praktiškai jie nagrinėjami atskirai amplitudės spektras Ir fazių spektras .

Ryžiai. 1. Furjė eilutės ir Furjė transformacijos atitikimas, kaip pavyzdį naudojant amplitudės spektrą.

Nesunku pastebėti, kad Furjė serijos koeficientai yra ne kas kita, kaip Furjė transformacijos reikšmės atskirais laikais.

Tačiau Furjė transformacija lygina laiko nepertraukiamą, begalinę funkciją su kita, dažnio nepertraukiama, begaline funkcija – spektru. O jeigu mes neturime funkcijos, kuri yra begalinė laike, o tik tam tikrą jos dalį, kuri yra užfiksuota ir diskretiška laike? Atsakymą į šį klausimą duoda tolesnė Furjė transformacijos plėtra - diskretinė Furjė transformacija (DFT) .

Diskretinė Furjė transformacija skirta išspręsti signalo tęstinumo ir begalybės laike problemą. Iš esmės manome, kad išpjovėme tam tikrą begalinio signalo dalį, o likusią laiko sritį laikome šiuo signalu nuliu.

Matematiškai tai reiškia, kad turėdami funkciją f(t), kuri yra begalinė laike, ją padauginame iš kokios nors lango funkcijos w(t), kuri išnyksta visur, išskyrus mus dominantį laiko intervalą.

Jei klasikinės Furjė transformacijos „išvestis“ yra spektras – funkcija, tai diskrečiosios Furjė transformacijos „išvestis“ yra diskrečiasis spektras. Taip pat į įvestį tiekiami atskiro signalo pavyzdžiai.

Likusios Furjė transformacijos savybės nesikeičia: apie jas galite pasiskaityti atitinkamoje literatūroje.

Mums tereikia žinoti apie sinusinio signalo Furjė transformaciją, kurią bandysime rasti savo spektre. Apskritai tai yra delta funkcijų pora, kurios dažnių srityje yra simetriškos nuliniam dažniui.

Ryžiai. 2. Sinusinio signalo amplitudės spektras.

Jau minėjau, kad paprastai kalbant, mes svarstome ne originalią funkciją, o kažkokį jos produktą su lango funkcija. Tada, jei pradinės funkcijos spektras yra F(w), o lango funkcija yra W(w), tada gaminio spektras bus tokia nemaloni operacija kaip šių dviejų spektrų konvoliucija (F*W)( w) (Konvoliucijos teorema).

Praktiškai tai reiškia, kad vietoj delta funkcijos spektre matysime kažką panašaus:

Ryžiai. 3. Spektro sklaidos efektas.

Šis efektas taip pat vadinamas spektro sklaida (angl. spectral leekage). Ir triukšmas, atsirandantis dėl spektro plitimo, atitinkamai, šoninės skiltys (angliškai sidelobes).
Kovai su šoninėmis skiltelėmis naudojamos kitos, ne stačiakampės lango funkcijos. Pagrindinė lango funkcijos „efektyvumo“ charakteristika yra šoninės skilties lygis (dB). Žemiau pateikiama kai kurių dažniausiai naudojamų lango funkcijų šoninių skilčių lygių suvestinė.

Pagrindinė mūsų problemos problema yra ta, kad šoninės skiltys gali užmaskuoti kitas šalia esančias harmonikas.

Ryžiai. 4. Atskirkite harmoninius spektrus.

Matyti, kad sudėjus duotus spektrus silpnesnės harmonikos tarsi ištirpsta į stipresnę.

Ryžiai. 5. Aiškiai matoma tik viena harmonika. Negerai.

Kitas būdas kovoti su spektro plitimu yra atimti iš signalo harmonikas, kurios sukuria šį sklaidą.
Tai yra, nustatę harmonikos amplitudę, dažnį ir pradinę fazę, galime ją atimti iš signalo, kartu pašalindami ją atitinkančią „delta funkciją“, o kartu ir jos generuojamas šonines skiltis. Kitas klausimas – kaip tiksliai sužinoti norimos harmonikos parametrus. Neužtenka tiesiog paimti reikiamus duomenis iš kompleksinės amplitudės. Sudėtingos spektro amplitudės susidaro visais dažniais, tačiau niekas netrukdo harmonikai turėti trupmeninį dažnį. Šiuo atveju atrodo, kad kompleksinė amplitudė susilieja tarp dviejų gretimų dažnių, o jos tikslaus dažnio, kaip ir kitų parametrų, nustatyti neįmanoma.

Norėdami nustatyti tikslų norimos harmonikos dažnį ir sudėtingą amplitudę, naudosime techniką, plačiai naudojamą daugelyje inžinerinės praktikos šakų - heterodinavimas .

Pažiūrėkime, kas atsitiks, jei įvesties signalą padauginsime iš kompleksinės harmonikos Exp(I*w*t). Signalo spektras pasislinks dydžiu w į dešinę.
Mes pasinaudosime šia savybe, perkeldami savo signalo spektrą į dešinę, kol harmonika dar labiau primins delta funkciją (tai yra, kol tam tikras vietinis signalo ir triukšmo santykis pasieks maksimumą). Tada galėsime apskaičiuoti tikslų norimos harmonikos dažnį, kaip w 0 – w het, ir atimti jį iš pradinio signalo, kad slopintume spektro sklaidos efektą.
Spektro kitimo, priklausomai nuo vietinio osciliatoriaus dažnio, iliustracija parodyta žemiau.

Ryžiai. 6. Amplitudės spektro tipas, priklausantis nuo vietinio generatoriaus dažnio.

Apibūdintas procedūras kartosime tol, kol išpjausime visas esančias harmonikas ir spektras neprimins baltojo triukšmo spektro.

Tada turime įvertinti baltojo triukšmo standartinį nuokrypį. Čia nėra jokių gudrybių: standartiniam nuokrypiui apskaičiuoti galite tiesiog naudoti formulę:

Automatizuoti

1. Ieškome globalios smailės amplitudės spektre, viršijančios tam tikrą k slenkstį.
1.1 Jei neradote, pabaikime
2. Keisdami vietinio generatoriaus dažnį, ieškome dažnio reikšmės, kuriai esant tam tikroje smailės vietoje bus pasiektas tam tikro vietinio signalo ir triukšmo santykio maksimumas.
3. Jei reikia, suapvalinkite amplitudės ir fazės reikšmes.
4. Iš signalo atimkite harmoniką, kurios dažnis, amplitudė ir fazė atėmus vietinio generatoriaus dažnį.
5. Eikite į 1 punktą.

Algoritmas nesudėtingas ir kyla vienintelis klausimas, kur gauti ribines vertes, virš kurių ieškosime harmonikų?
Norint atsakyti į šį klausimą, prieš išjungiant harmonikas reikia įvertinti triukšmo lygį.

Sukurkime pasiskirstymo funkciją (labas, matematinė statistika), kur abscisių ašis bus harmonikų amplitudė, o ordinačių ašis – harmonikų, kurios amplitude neviršija šios argumento reikšmės, skaičius. Tokios sukonstruotos funkcijos pavyzdys:

Ryžiai. 7. Harmoninio pasiskirstymo funkcija.

Dabar taip pat sukonstruosime funkciją – pasiskirstymo tankį. Tai yra, baigtinių skirtumų reikšmės nuo pasiskirstymo funkcijos.

Ryžiai. 8. Harmonikos pasiskirstymo funkcijos tankis.

Didžiausio pasiskirstymo tankio abscisė yra harmonikos amplitudė, atsirandanti spektre daugiausia kartų. Nutolkime nuo smailės į dešinę ir laikykime, kad šio taško abscisė yra mūsų spektro triukšmo lygio įvertinimas. Dabar galite tai automatizuoti.

Pažiūrėkite į kodo dalį, kuri aptinka signalo harmonikas

viešas ArrayList detectHarmonics() ( SignalCutter cutter = naujas SignalCutter(šaltinis, naujas signalas(šaltinis)); SynthesizableComplexExponent heterodinParameter = new SynthesizableComplexExponent(); heterodinParameter.setProperty("dažnis", 0.0); Signal heterodin = new Signal(source).getLength( ; Signal heterodinedSignal = new Signal(cutter.getCurrentSignal() ) > 10) throw new RuntimeException("Neįmanoma analizuoti signalo! Pabandykite atlikti kitus parametrus." Double heterodinSelected = 0.0; spektras.getAverageAmplitudeIn(harmoninis, lango dydis -0,5);< (0.5 + heterodinAccuracy); heterodinFrequency += heterodinAccuracy) { heterodinParameter.setProperty("frequency", heterodinFrequency); heterodinParameter.synthesizeIn(heterodin); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()).multiply(heterodin); spectrum.recalc(); double newSignalToNoise = spectrum.getRealAmplitude(harmonic) / spectrum.getAverageAmplitudeIn(harmonic, windowSize); if (newSignalToNoise >signalToNoise) ( signalToNoise = newSignalToNoise; heterodin Selected = heterodinFrequency; ) ) Parametras SynthesizableKosinusas = new SynthesizableKosinusas(); heterodinParameter.setProperty("dažnis", heterodinPasirinktas); heterodinParameter.synthesizeIn(heterodinas); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()).multiply(heterodinas); spektras.recalc(); parameter.setProperty("amplitudė", MathHelper.adaptiveRound(spectrum.getRealAmplitude(harmonic))); parameter.setProperty("dažnis", harmonika - heterodinPasirinkta); parameter.setProperty("phase", MathHelper.round(spektras.getPhase(harmonic), 1)); cutter.addSignal(parametras); cutter.cutNext(); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()); spektras.recalc(); ) return cutter.getSignalsParameters(); )

Praktinė dalis

Spektrinė analizė

Spektrinė analizė- objekto sudėties kokybinio ir kiekybinio nustatymo metodų rinkinys, pagrįstas medžiagos sąveikos su spinduliuote spektrų, įskaitant elektromagnetinės spinduliuotės spektrus, akustines bangas, elementariųjų dalelių masių ir energijos pasiskirstymą, tyrimu, ir tt

Atsižvelgiant į analizės tikslus ir spektrų tipus, išskiriami keli spektrinės analizės metodai. Atominis Ir molekulinės spektrinės analizės leidžia nustatyti atitinkamai elementinę ir molekulinę medžiagos sudėtį. Taikant emisijos ir sugerties metodus, sudėtis nustatoma pagal emisijos ir sugerties spektrus.

Masių spektrometrinė analizė atliekama naudojant atominių ar molekulinių jonų masės spektrus ir leidžia nustatyti objekto izotopinę sudėtį.

Istorija

Tamsios linijos spektrinėse juostose buvo pastebėtos jau seniai, tačiau pirmasis rimtas šių linijų tyrimas buvo atliktas tik 1814 m., Juozapas Fraunhoferis. Jo garbei efektas buvo pavadintas „Fraunhoferio linijomis“. Fraunhoferis nustatė eilučių pozicijų stabilumą, sudarė jų lentelę (iš viso suskaičiavo 574 eilutes) ir kiekvienai priskyrė raidinį ir skaitmeninį kodą. Ne mažiau svarbi buvo jo išvada, kad linijos nėra susijusios nei su optine medžiaga, nei su žemės atmosfera, o yra natūrali saulės šviesos savybė. Jis atrado panašias linijas dirbtinuose šviesos šaltiniuose, taip pat Veneros ir Sirijaus spektruose.

Netrukus paaiškėjo, kad viena ryškiausių linijų visada atsirasdavo esant natriui. 1859 metais G. Kirchhoffas ir R. Bunsenas, atlikę daugybę eksperimentų, padarė išvadą: kiekvienas cheminis elementas turi savo unikalų linijų spektrą, o iš dangaus kūnų spektro galima daryti išvadas apie jų medžiagos sudėtį. Nuo šio momento moksle atsirado spektrinė analizė – galingas cheminės sudėties nuotolinio nustatymo metodas.

Norėdami išbandyti šį metodą, 1868 m. Paryžiaus mokslų akademija surengė ekspediciją į Indiją, kur artėjo visiškas saulės užtemimas. Ten mokslininkai atrado: visos tamsios linijos užtemimo momentu, kai emisijos spektras pakeitė Saulės vainiko sugerties spektrą, tamsiame fone, kaip ir buvo prognozuota, tapo ryškios.

Pamažu buvo aiškinamasi kiekvienos linijos pobūdis ir ryšys su cheminiais elementais. 1860 m. Kirchhoffas ir Bunsenas, taikydami spektrinę analizę, atrado cezį, o 1861 m. – rubidį. O helis buvo atrastas Saulėje 27 metais anksčiau nei Žemėje (atitinkamai 1868 ir 1895).

Veikimo principas

Kiekvieno cheminio elemento atomai turi griežtai apibrėžtus rezonansinius dažnius, dėl kurių būtent šiais dažniais jie skleidžia arba sugeria šviesą. Tai lemia tai, kad spektroskope tam tikrose kiekvienai medžiagai būdingose ​​spektro vietose matomos linijos (tamsios arba šviesios). Linijų intensyvumas priklauso nuo medžiagos kiekio ir jos būsenos. Atliekant kiekybinę spektrinę analizę, tiriamos medžiagos kiekis nustatomas pagal santykinį arba absoliutų spektro linijų ar juostų intensyvumą.

Optinei spektrinei analizei būdingas gana paprastas įgyvendinimas, sudėtingo mėginio paruošimo analizei nebuvimas ir nedidelis medžiagos kiekis (10-30 mg), reikalingas daugelio elementų analizei.

Atominiai spektrai (absorbcija arba emisija) gaunami perkeliant medžiagą į garų būseną, kaitinant mėginį iki 1000-10000 °C. Kibirkštis arba kintamos srovės lankas naudojami kaip atomų sužadinimo šaltiniai atliekant laidžių medžiagų emisijos analizę; šiuo atveju mėginys dedamas į vieno iš anglies elektrodų kraterį. Tirpalams analizuoti plačiai naudojamos įvairių dujų liepsnos arba plazmos.

Taikymas

Pastaruoju metu labiausiai paplito emisijos ir masių spektrometriniai spektrinės analizės metodai, pagrįsti atomų sužadinimu ir jų jonizavimu indukcinių išlydžių argono plazmoje, taip pat lazerio kibirkštyje.

Spektrinė analizė yra jautrus metodas ir plačiai naudojamas analitinės chemijos, astrofizikos, metalurgijos, mechanikos inžinerijos, geologinių tyrinėjimų ir kitose mokslo srityse.

Signalų apdorojimo teorijoje spektrinė analizė taip pat reiškia signalo (pavyzdžiui, garso) energijos pasiskirstymo pagal dažnius, bangų skaičius ir kt.

taip pat žr

Wikimedia fondas. 2010 m.

• baltų
• Šiaurės Hanas

Pažiūrėkite, kas yra „spektrinė analizė“ kituose žodynuose:

SPEKTRALINĖ ANALIZĖ- fizinis kokybės metodai. .ir kiekiai. sudėties nustatymas va, remiantis jos spektrų gavimu ir tyrimu. Pagrindas S. a. atomų ir molekulių spektroskopija, ji klasifikuojama pagal analizės tikslą ir spektrų tipus. Atominis S. a. (ASA) apibrėžia ... ... Fizinė enciklopedija

Spektrinė analizė- Medžiagos sudėties matavimas remiantis jos spektrų tyrimu Šaltinis... Norminės ir techninės dokumentacijos terminų žodynas-žinynas

Spektrinė analizė- žr. Spektroskopija. Geologijos žodynas: 2 tomai. M.: Nedra. Redagavo K. N. Paffengoltz ir kt., 1978. Spektrinė analizė ... Geologijos enciklopedija

SPEKTRALINĖ ANALIZĖ- 1860 m. Bunsenas ir Kirchhoffas pristatė cheminį medžiagos tyrimą per jai būdingas spalvotas linijas, kurios pastebimos žiūrint į ją (lakavimo metu) per prizmę. 25 000 svetimžodžių paaiškinimas... Rusų kalbos svetimžodžių žodynas

SPEKTRALINĖ ANALIZĖ- SPEKTRINĖ ANALIZĖ, vienas iš analizės metodų, kuriame naudojami spektrai (žr. Spektroskopija, spektroskopas), kuriuos duoda tas ar kitas kūnas, kai jie yra kaitinami! arba leidžiant spindulius per tirpalus, suteikiant nenutrūkstamą spektrą. Dėl… … Didžioji medicinos enciklopedija

SPEKTRALINĖ ANALIZĖ- fizikinis kokybinio ir kiekybinio medžiagos sudėties nustatymo metodas, atliekamas naudojant jos optinius spektrus. Yra atominė ir molekulinė spektrinė analizė, emisija (pagal emisijos spektrus) ir sugertis (pagal spektrus... ... Didysis enciklopedinis žodynas

Spektrinė analizė- matematinis-statistinis laiko eilučių analizės metodas, kuriame eilutės laikomos sudėtinga aibe, harmoninių virpesių, uždengtų viena ant kitos, mišiniu. Šiuo atveju pagrindinis dėmesys skiriamas dažniui... ... Ekonomikos ir matematikos žodynas

SPEKTRALINĖ ANALIZĖ- fizinis kokybinio ir kiekybinio cheminių medžiagų nustatymo metodai. bet kokių medžiagų sudėtis, pagrįsta jų optinio spektro gavimu ir tyrimu. Atsižvelgiant į naudojamų spektrų pobūdį, išskiriami šie tipai: emisija (emisija C ... Didžioji politechnikos enciklopedija

Spektrinė analizė- I Spektrinė analizė yra fizikinis metodas, skirtas kokybiniam ir kiekybiniam medžiagos atominės ir molekulinės sudėties nustatymui, remiantis jos spektrų tyrimu. Fizinis pagrindas S. a. Atomų ir molekulių spektroskopija, jos... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

Spektrinė analizė- Straipsnio turinys. I. Kūnų švytėjimas. Emisijos spektras. Saulės spektras. Fraunhoferio linijos. Prizminiai ir difrakcijos spektrai. Prizmės ir grotelių spalvų sklaida. II. Spektroskopai. Alkūninis ir tiesus spektroskopas, nukreiptas į tiesioginį matymą… … Enciklopedinis žodynas F.A. Brockhausas ir I.A. Efronas

Įvadas………………………………………………………………………………….2

Radiacijos mechanizmas………………………………………………………………………………..3

Energijos pasiskirstymas spektre………………………………………………………….4

Spektrų tipai……………………………………………………………………………………….6

Spektrinės analizės tipai………………………………………………………7

Išvada…………………………………………………………………………………..9

Literatūra………………………………………………………………………………….11

Įvadas

Spektras yra šviesos skilimas į sudedamąsias dalis, skirtingų spalvų spindulius.

Metodas tirti įvairių medžiagų cheminę sudėtį pagal jų emisijos arba sugerties spektrus vadinamas spektrinė analizė. Spektrinei analizei reikalingas nereikšmingas medžiagos kiekis. Dėl greičio ir jautrumo šis metodas yra nepakeičiamas tiek laboratorijose, tiek astrofizikoje. Kadangi kiekvienas periodinės lentelės cheminis elementas skleidžia tik jam būdingą linijinės emisijos ir sugerties spektrą, tai leidžia ištirti medžiagos cheminę sudėtį. Fizikai Kirchhoffas ir Bunsenas pirmą kartą bandė tai padaryti 1859 m., statydami spektroskopas.Šviesa į ją buvo perduodama per siaurą plyšį, išpjautą iš vieno teleskopo krašto (šis vamzdis su plyšiu vadinamas kolimatoriumi). Iš kolimatoriaus spinduliai krito į prizmę, padengtą dėžute, išklota juodu popieriumi. Prizmė nukreipė iš plyšio sklindančius spindulius. Rezultatas buvo spektras. Po to jie uždengė langą užuolaida ir prie kolimatoriaus plyšio padėjo uždegtą degiklį. Į žvakės liepsną pakaitomis buvo įvedami įvairių medžiagų gabalėliai ir jie pro antrąjį teleskopą žiūrėjo į gautą spektrą. Paaiškėjo, kad kiekvieno elemento kaitinamieji garai gamina griežtai apibrėžtos spalvos spindulius, o prizmė nukreipė šiuos spindulius į griežtai apibrėžtą vietą, todėl jokia spalva negalėjo užmaskuoti kito. Tai leido daryti išvadą, kad buvo rastas radikaliai naujas cheminės analizės metodas – naudojant medžiagos spektrą. 1861 m., remdamasis šiuo atradimu, Kirchhoffas įrodė, kad Saulės chromosferoje yra daugybė elementų, padėję astrofizikos pagrindą.

Radiacijos mechanizmas

Šviesos šaltinis turi vartoti energiją. Šviesa yra elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis yra 4*10 -7 - 8*10 -7 m Elektromagnetines bangas skleidžia pagreitintas įkrautų dalelių judėjimas. Šios įkrautos dalelės yra atomų dalis. Tačiau nežinant, kokia atomo struktūra, nieko patikimo negalima pasakyti apie spinduliavimo mechanizmą. Aišku tik tai, kad atomo viduje nėra šviesos, kaip ir fortepijono stygoje nėra garso. Kaip styga, kuri pradeda skambėti tik po smūgio plaktuku, atomai pagimdo šviesą tik juos sujaudinus.

Kad atomas pradėtų spinduliuoti, jam turi būti perduota energija. Išspinduliuojant atomas praranda gaunamą energiją, o nuolatiniam medžiagos švytėjimui būtinas energijos antplūdis į jo atomus iš išorės.

Šiluminė spinduliuotė. Paprasčiausias ir labiausiai paplitęs spinduliuotės tipas yra šiluminė spinduliuotė, kai energija, kurią atomai praranda šviesai skleisti, kompensuojama spinduliuojančio kūno atomų ar (molekulių) šiluminio judėjimo energija. Kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo greičiau juda atomai. Kai greitieji atomai (molekulės) susiduria vienas su kitu, dalis jų kinetinės energijos paverčiama atomų sužadinimo energija, kuri vėliau skleidžia šviesą.

Šiluminis spinduliuotės šaltinis yra Saulė, taip pat įprasta kaitrinė lempa. Lempa yra labai patogus, bet nebrangus šaltinis. Tik apie 12% visos elektros srovės išskiriamos energijos lempoje paverčiama šviesos energija. Šilumos šviesos šaltinis yra liepsna. Suodžių grūdeliai įkaista dėl kuro degimo metu išsiskiriančios energijos ir skleidžia šviesą.

Elektroliuminescencija. Energiją, reikalingą atomams skleisti šviesą, galima gauti ir iš nešiluminių šaltinių. Dujų išlydžio metu elektrinis laukas elektronams suteikia didesnę kinetinę energiją. Greiti elektronai susiduria su atomais. Dalis elektronų kinetinės energijos eina atomams sužadinti. Sužadinti atomai išskiria energiją šviesos bangų pavidalu. Dėl šios priežasties dujų išleidimą lydi švytėjimas. Tai elektroliuminescencija.

Katodoliuminescencija. Kietųjų kūnų švytėjimas, kurį sukelia elektronų bombardavimas, vadinamas katodoliuminescencija. Dėl katodliuminescencijos televizorių katodinių spindulių lempų ekranai šviečia.

Chemiliuminescencija. Kai kuriose cheminėse reakcijose, kurios išskiria energiją, dalis šios energijos tiesiogiai išleidžiama šviesai. Šviesos šaltinis išlieka vėsus (jis yra aplinkos temperatūros). Šis reiškinys vadinamas chemioliuminescencija.

Fotoliuminescencija.Šviesa, patenkanti į medžiagą, iš dalies atsispindi ir iš dalies sugeria. Sugertos šviesos energija daugeliu atvejų sukelia tik kūnų kaitinimą. Tačiau kai kurie kūnai patys pradeda švytėti tiesiogiai veikiami juos patekusios radiacijos. Tai fotoliuminescencija. Šviesa sužadina medžiagos atomus (padidina jų vidinę energiją), po to jie patys apšviečiami. Pavyzdžiui, šviečiantys dažai, dengiantys daugelį eglutės papuošimų, po apšvitinimo skleidžia šviesą.

Fotoliuminescencijos metu skleidžiama šviesa, kaip taisyklė, turi ilgesnį bangos ilgį nei šviesa, kuri sužadina švytėjimą. Tai galima pastebėti eksperimentiškai. Jei nukreipiate šviesos spindulį į indą, kuriame yra fluoresceito (organinių dažų),

Praleistas per violetinės šviesos filtrą, šis skystis pradeda švytėti žaliai geltona šviesa, t.y. šviesa, kurios bangos ilgis yra ilgesnis nei violetinė šviesa.

Fotoliuminescencijos reiškinys plačiai naudojamas fluorescencinėse lempose. Sovietų fizikas S. I. Vavilovas pasiūlė vidinį išleidimo vamzdžio paviršių padengti medžiagomis, galinčiomis ryškiai švytėti veikiant trumpabangiai spinduliuotei iš dujų išlydžio. Liuminescencinės lempos yra maždaug tris ar keturis kartus ekonomiškesnės nei įprastos kaitrinės lempos.

Išvardytos pagrindinės spinduliuotės rūšys ir jas sukuriantys šaltiniai. Dažniausi spinduliuotės šaltiniai yra terminiai.

Energijos pasiskirstymas spektre

Ekrane už lūžio prizmės monochromatinės spalvos spektre išsidėsčiusios tokia tvarka: raudona (kurios bangos ilgis yra didžiausias tarp matomų šviesos bangų (k = 7,6 (10-7 m ir mažiausias lūžio rodiklis), o oranžinė), geltona. , žalia, žalsvai mėlyna, mėlyna ir violetinė (turi trumpiausią bangos ilgį matomame spektre (f = 4 (10-7 m ir didžiausias lūžio rodiklis). Nė vienas iš šaltinių neskleidžia monochromatinės šviesos, tai yra griežtai apibrėžto bangos ilgio). Šviesos skaidymo į spektrą eksperimentai naudojant prizmę, taip pat trukdžių ir difrakcijos eksperimentai.

Energija, kurią šviesa neša iš šaltinio, tam tikru būdu pasiskirsto per visų ilgių bangas, kurios sudaro šviesos spindulį. Taip pat galime pasakyti, kad energija pasiskirsto dažniais, nes yra paprastas ryšys tarp bangos ilgio ir dažnio: v = c.

Elektromagnetinės spinduliuotės srauto tankis, arba intensyvumas /, nustatomas pagal energiją &W, priskiriamą visiems dažniams. Norint apibūdinti spinduliuotės dažninį pasiskirstymą, reikia įvesti naują dydį: intensyvumą dažnio intervalo vienetui. Šis dydis vadinamas spinduliuotės intensyvumo spektriniu tankiu.

Spektrinio spinduliuotės srauto tankį galima rasti eksperimentiškai. Norėdami tai padaryti, turite naudoti prizmę, kad gautumėte spinduliuotės spektrą, pavyzdžiui, elektros lanko, ir išmatuokite spinduliuotės srauto tankį, patenkantį į mažus Av pločio spektrinius intervalus.

Negalite pasikliauti savo akimis, kad įvertintumėte energijos pasiskirstymą. Akis turi selektyvų jautrumą šviesai: didžiausias jos jautrumas yra geltonai žalioje spektro srityje. Geriausia pasinaudoti juodo kūno savybe beveik visiškai sugerti visų bangų ilgių šviesą. Šiuo atveju spinduliuotės energija (t. y. šviesa) sukelia kūno kaitinimą. Todėl pakanka išmatuoti kūno temperatūrą ir pagal ją spręsti, kiek energijos sugeria per laiko vienetą.

Paprastas termometras yra per jautrus, kad būtų sėkmingai naudojamas tokiuose eksperimentuose. Temperatūrai matuoti reikia jautresnių prietaisų. Galite pasiimti elektrinį termometrą, kuriame jautrus elementas pagamintas plonos metalinės plokštės pavidalu. Ši plokštė turi būti padengta plonu suodžių sluoksniu, kuris beveik visiškai sugeria bet kokio bangos ilgio šviesą.

Įrenginio karščiui jautrią plokštelę reikia padėti vienoje ar kitoje spektro vietoje. Visas matomas ilgio l spektras nuo raudonų iki violetinių spindulių atitinka dažnio intervalą nuo v cr iki y f. Plotis atitinka nedidelį intervalą Av. Kaitinant juodąją įrenginio plokštę, galima spręsti apie spinduliuotės srauto tankį dažnio intervale Av. Perkeldami plokštę spektru, pamatysime, kad didžioji dalis energijos yra raudonoje spektro dalyje, o ne geltonai žalioje, kaip atrodo akiai.

Remiantis šių eksperimentų rezultatais, galima sudaryti spinduliuotės intensyvumo spektrinio tankio priklausomybės nuo dažnio kreivę. Spinduliuotės intensyvumo spektrinį tankį lemia plokštės temperatūra, o dažnį nesunku rasti, jei šviesai skaidyti naudojamas prietaisas yra kalibruotas, tai yra, jei žinoma, kokį dažnį atitinka tam tikra spektro dalis. į.

Išilgai abscisių ašies nubraižydami dažnių reikšmes, atitinkančias intervalų Av vidurio taškus, o išilgai ordinačių ašies – spinduliuotės intensyvumo spektrinį tankį, gauname daugybę taškų, per kuriuos galime nubrėžti lygią kreivę. Ši kreivė vizualiai atvaizduoja energijos pasiskirstymą ir matomą elektros lanko spektro dalį.

Vienas iš pagrindinių cheminės medžiagos cheminės sudėties analizės metodų yra spektrinė analizė. Jo sudėties analizė atliekama remiantis jo spektro tyrimu. Spektrinė analizė – naudojama įvairiuose tyrimuose. Su jo pagalba buvo atrastas cheminių elementų kompleksas: He, Ga, Cs. Saulės atmosferoje. Taip pat, kaip ir Rb, In ir XI, nustatoma Saulės ir daugumos kitų dangaus kūnų sudėtis.

Programos

Spektrinė ekspertizė, paplitusi:

1. Metalurgija;
2. Geologija;
3. Chemija;
4. Mineralogija;
5. Astrofizika;
6. Biologija;
7. vaistai ir kt.

Leidžia rasti mažiausius nustatytos medžiagos kiekius tiriamuose objektuose (iki 10 – MS Spektrinė analizė skirstoma į kokybinę ir kiekybinę).

Metodai

Spektrinės analizės pagrindas yra cheminės medžiagos sudėties nustatymo metodas, pagrįstas spektru. Linijų spektrai turi unikalią asmenybę, kaip ir žmogaus pirštų atspaudai ar snaigių raštas. Raštų išskirtinumas ant piršto odos – didelis privalumas ieškant nusikaltėlio. Todėl, atsižvelgiant į kiekvieno spektro ypatumus, galima nustatyti cheminį organizmo kiekį, analizuojant medžiagos cheminę sudėtį. Net jei jo elemento masė neviršija 10 - 10 g, naudojant spektrinę analizę jį galima aptikti sudėtingos medžiagos sudėtyje. Tai gana jautrus metodas.

Emisijos spektrinė analizė

Emisijos spektrinė analizė – tai cheminės medžiagos cheminės sudėties nustatymo pagal emisijos spektrą metodų serija. Medžiagos cheminės sudėties nustatymo metodo – spektrinio tyrimo – pagrindas grindžiamas emisijos spektrų ir sugerties spektrų modeliais. Šis metodas leidžia identifikuoti milijonines miligramo dalis medžiagos.

Remiantis analitinės chemijos, kaip dalyko, įtvirtinimu, yra kokybinio ir kiekybinio tyrimo metodai, kurių tikslas – suformuluoti cheminės medžiagos cheminės sudėties nustatymo metodus. Medžiagos identifikavimo metodai tampa itin svarbūs atliekant kokybinę organinę analizę.

Remiantis bet kurios medžiagos garų linijiniu spektru, galima nustatyti, kurie cheminiai elementai yra jos sudėtyje, nes bet kuris cheminis elementas turi savo specifinį emisijos spektrą. Toks medžiagos cheminės sudėties nustatymo metodas vadinamas kokybine spektrine analize.

Rentgeno spindulių spektrinė analizė

Yra ir kitas cheminės medžiagos identifikavimo metodas, vadinamas rentgeno spektrine analize. Rentgeno spindulių spektrinė analizė grindžiama medžiagos atomų aktyvavimu, kai ji apšvitinama rentgeno spinduliais, o šis procesas vadinamas antriniu arba fluorescenciniu. Aktyvinimas galimas ir apšvitinus didelės energijos elektronais, šiuo atveju procesas vadinamas tiesioginiu sužadinimu. Dėl elektronų judėjimo gilesniuose vidiniuose elektronų sluoksniuose atsiranda rentgeno spindulių linijos.

Wulff-Bragg formulė leidžia nustatyti rentgeno spinduliuotės bangos ilgį, kai naudojamas populiarios struktūros kristalas, kurio atstumas yra žinomas d. Tai yra nustatymo metodo pagrindas. Tiriama medžiaga yra bombarduojama didelio greičio elektronais. Jis dedamas, pavyzdžiui, ant išardomo rentgeno vamzdžio anodo, po kurio skleidžia būdingus rentgeno spindulius, kurie krenta ant žinomos struktūros kristalo. Kampai išmatuojami ir atitinkami bangos ilgiai apskaičiuojami pagal formulę, nufotografavus gautą difrakcijos modelį.

Technikai

Šiuo metu visi cheminės analizės metodai yra pagrįsti dviem būdais. Atliekant fizikinį arba cheminį bandymą, lyginant nustatytą koncentraciją su jos matavimo vienetu:

Fizinis

Fizinė technika pagrįsta komponento kiekio vieneto susiejimo su etalonu metodu, išmatuojant jo fizines savybes, kurios priklauso nuo jo kiekio medžiagos mėginyje. Funkcinis ryšys „Savybės prisotinimas – komponento kiekis pavyzdyje“ nustatomas bandomuoju būdu, kalibruojant tam tikros fizinės savybės matavimo priemones pagal montuojamą komponentą. Iš kalibravimo grafiko gaunami kiekybiniai ryšiai, pavaizduoti koordinatėse: „fizinės savybės prisotinimas - montuojamo komponento koncentracija“.

Cheminis

Komponento kiekio vieneto koreliavimo su standartu metodui naudojamas cheminis metodas. Čia naudojami komponento kiekio arba masės išsaugojimo dėsniai cheminės sąveikos metu. Cheminė sąveika grindžiama cheminių junginių cheminėmis savybėmis. Medžiagos mėginyje atliekama cheminė reakcija, atitinkanti nurodytus reikalavimus norimam komponentui nustatyti, ir išmatuojamas konkrečioje komponentų cheminėje reakcijoje dalyvaujantis tūris arba masė. Gaunami kiekybiniai ryšiai, tada užrašomas komponento ekvivalentų skaičius tam tikrai cheminei reakcijai arba masės tvermės dėsniui.

Prietaisai

Medžiagos fizinės ir cheminės sudėties analizės instrumentai yra šie:

1. Dujų analizatoriai;
2. Pavojaus signalai dėl didžiausios leistinos ir sprogios garų ir dujų koncentracijos;
3. Skystų tirpalų koncentratoriai;
4. Tankio matuokliai;
5. Druskos matuokliai;
6. Drėgmės matuokliai ir kiti prietaisai, panašūs pagal paskirtį ir išsamumą.

Laikui bėgant didėja analizuojamų objektų diapazonas, didėja analizės greitis ir tikslumas. Vienas iš svarbiausių instrumentinių cheminės medžiagos atominės cheminės sudėties nustatymo metodų yra spektrinė analizė.

Kiekvienais metais atsiranda vis daugiau instrumentų kompleksų kiekybinei spektrinei analizei. Jie taip pat gamina pažangiausius spektro įrašymo įrangos tipus ir metodus. Spektrinės laboratorijos iš pradžių organizuojamos mechaninės inžinerijos, metalurgijos, o vėliau ir kitose pramonės srityse. Laikui bėgant analizės greitis ir tikslumas didėja. Be to, plečiasi analizuojamų objektų plotas. Vienas iš pagrindinių instrumentinių cheminės medžiagos atominės cheminės sudėties nustatymo metodų yra spektrinė analizė.

Spektrinė analizė – tai cheminės medžiagos cheminės sudėties nustatymo iš spektro metodas. Šį metodą 1859 metais sukūrė vokiečių mokslininkai G.R. Kirchhoffas ir R.V. Bunsenas.

Tačiau prieš nagrinėdami šį gana sudėtingą klausimą, pirmiausia pakalbėkime apie tai, kas yra spektras.
diapazonas(lot. spektro „regėjimas“) fizikoje - fizinio dydžio (dažniausiai energijos, dažnio ar masės) verčių pasiskirstymas. Paprastai spektras reiškia elektromagnetinį spektrą – elektromagnetinės spinduliuotės dažnių spektrą (arba tą patį dalyką kaip kvantinės energijos).

Terminą spektras į mokslinį vartojimą įvedė Niutonas 1671-1672 m. pažymėti įvairiaspalvę juostelę, panašią į vaivorykštę, kuri gaunama saulės spinduliui pereinant per trikampę stiklinę prizmę. Savo darbe „Optika“ (1704) jis paskelbė baltos šviesos skaidymo prizmę į atskirus skirtingų spalvų ir laužomumo komponentus rezultatus, tai yra, gavo saulės spinduliuotės spektrus ir paaiškino jų prigimtį. Jis parodė, kad spalva yra būdinga šviesos savybė ir neįvedama prizmės, kaip teigė Bekonas XIII amžiuje. Tiesą sakant, Niutonas padėjo optinės spektroskopijos pagrindus: „Optikoje“ jis aprašė visus tris šiandien naudojamus šviesos skaidymo būdus. refrakcija, trukdžiai(šviesos intensyvumo persiskirstymas dėl kelių šviesos bangų superpozicijos) ir difrakcija(bangos lenkiasi aplink kliūtis).
Dabar grįžkime prie pokalbio apie tai, kas yra spektrinė analizė.

Tai metodas, suteikiantis vertingos ir įvairios informacijos apie dangaus kūnus. Kaip tai daroma? Analizuojama šviesa, o iš šviesos analizės galima nustatyti kokybinę ir kiekybinę šviestuvo cheminę sudėtį, temperatūrą, magnetinio lauko buvimą ir stiprumą, judėjimo greitį matymo linija ir kt.
Spektrinė analizė pagrįsta koncepcija, kad sudėtinga šviesa, pereinanti iš vienos terpės į kitą (pavyzdžiui, iš oro į stiklą), suskaidoma į sudedamąsias dalis. Jei šios šviesos spindulys nukreipiamas į trikampės prizmės šoninį paviršių, tada, skirtingai lūždami stikle, baltą šviesą sudarantys spinduliai ekrane sukurs vaivorykštės juostelę, vadinamą spektru. Spektre visos spalvos visada yra tam tikra tvarka. Jei pamiršote šį užsakymą, pažiūrėkite į paveikslėlį.

Prizmė kaip spektrinis prietaisas

Teleskopuose spektrui gauti naudojami specialūs instrumentai - spektrografai, sumontuotas už teleskopo objektyvo židinio. Anksčiau visi spektrografai buvo prizmės, o dabar jie naudoja prizmę vietoj prizmės. difrakcinė gardelė, kuris baltą šviesą taip pat skaido į spektrą, jis vadinamas difrakcijos spektru.
Visi žino, kad šviesa sklinda elektromagnetinių bangų pavidalu. Kiekviena spalva atitinka tam tikrą elektromagnetinės bangos ilgį. Bangos ilgis spektre sumažėja nuo raudonų spindulių iki violetinių spindulių nuo maždaug 700 iki 400 mmk. Už violetinių spektro spindulių slypi ultravioletiniai spinduliai, kurie akiai nematomi, bet veikia fotografinėje plokštelėje.

Medicinoje naudojami rentgeno spinduliai turi dar trumpesnį bangos ilgį. Žemės atmosfera blokuoja rentgeno spinduliuotę iš dangaus kūnų. Tik neseniai jis tapo prieinamas tirti per didelio aukščio raketų paleidimą, kuris pakyla virš pagrindinio atmosferos sluoksnio. Stebėjimus rentgeno spinduliuose atlieka ir tarpplanetinėse kosminėse stotyse įrengti automatiniai instrumentai.

Už raudonųjų spektro spindulių slypi infraraudonieji spinduliai. Jie yra nematomi, tačiau taip pat veikia specialiose fotografinėse plokštelėse. Spektriniai stebėjimai paprastai reiškia stebėjimus nuo infraraudonųjų iki ultravioletinių spindulių.

Spektams tirti vadinami instrumentai spektroskopas ir spektrografas. Spektras tiriamas spektroskopu, fotografuojamas spektrografu. Spektro nuotrauka vadinama spektrograma.

Spektrų tipai

Spektras rainelės pavidalu (vientisas arba ištisinis) duoti kietus karštus kūnus (karštos anglis, elektros lempos siūlas) ir didžiules dujų mases esant aukštam slėgiui. Linijų spektras spinduliuotę išskiria retintos dujos ir garai, kai stipriai kaitinami arba veikiami elektros iškrovos. Kiekvienos dujos turi savo skleidžiamų ryškių specifinių spalvų linijų rinkinį. Jų spalva atitinka tam tikrus bangos ilgius. Jie visada yra tose pačiose spektro vietose. Dujų būsenos ar jų švytėjimo sąlygų pokyčiai, pavyzdžiui, kaitinimas ar jonizacija, sukelia tam tikrus tam tikrų dujų spektro pokyčius.

Mokslininkai sudarė lenteles, kuriose išvardijamos kiekvienos dujų linijos ir nurodomas kiekvienos linijos ryškumas. Pavyzdžiui, natrio spektre dvi geltonos linijos yra ypač ryškios. Nustatyta, kad atomo ar molekulės spektras yra susijęs su jų sandara ir atspindi tam tikrus pokyčius, vykstančius juose švytėjimo proceso metu.

Linijinį sugerties spektrą sukuria dujos ir garai, kai už jų yra ryškesnis, karštesnis šaltinis, kuris sukuria nenutrūkstamą spektrą. Absorbcijos spektras susideda iš ištisinio spektro, iškirpto tamsiomis linijomis, esančiomis tose vietose, kur turėtų būti šviesios linijos, būdingos tam tikroms dujoms. Pavyzdžiui, dvi tamsios natrio sugerties linijos yra geltonojoje spektro dalyje.

Taigi spektrinė analizė leidžia nustatyti šviesą skleidžiančių arba sugeriančių garų cheminę sudėtį; nustatyti, ar jie yra laboratorijoje, ar dangaus kūne. Atomų ar molekulių, esančių mūsų regėjimo linijoje, spinduliuojančių ar sugeriančių, skaičius nustatomas pagal linijų intensyvumą. Kuo daugiau atomų, tuo šviesesnė linija arba tamsesnė ji yra absorbcijos spektre. Saulę ir žvaigždes supa dujinė atmosfera. Ištisinį jų matomo paviršiaus spektrą nupjauna tamsios sugerties linijos, atsirandančios šviesai prasiskverbus pro žvaigždžių atmosferą. Štai kodėl Saulės ir žvaigždžių spektrai yra sugerties spektrai.

Tačiau spektrinė analizė leidžia nustatyti tik savaime šviečiančių arba spinduliuotę sugeriančių dujų cheminę sudėtį. Kieto ar skysto kūno cheminės sudėties negalima nustatyti naudojant spektrinę analizę.

Kai kūnas yra įkaitęs, raudonoji jo nuolatinio spektro dalis yra ryškiausia. Toliau kaitinant, didžiausias ryškumas spektre pereina į geltonąją dalį, po to į žaliąją ir tt Šviesos emisijos teorija, patikrinta eksperimentiškai, rodo, kad ryškumo pasiskirstymas ištisiniame spektre priklauso nuo kūno temperatūros. Žinodami šią priklausomybę, galite nustatyti Saulės ir žvaigždžių temperatūrą. Planetų ir žvaigždžių temperatūra taip pat nustatoma naudojant termoelementą, esantį teleskopo židinyje. Kaitinamas termoelementas, jame atsiranda elektros srovė, apibūdinanti iš šviestuvo gaunamą šilumos kiekį.