A importância da análise espectral. Análise espectral e tipos de espectros

Não muito tempo atrás, o camarada Makeman descreveu como, usando análise espectral, é possível decompor um determinado sinal de áudio em suas notas constituintes. Vamos abstrair um pouco do som e supor que temos algum sinal digitalizado, cuja composição espectral queremos determinar com bastante precisão.

Abaixo do corte há uma breve visão geral do método de extração de harmônicos de um sinal arbitrário usando heterodinação digital e um pouco de magia especial de Fourier.

O que temos então?
Arquivo com amostras de um sinal digitalizado. Sabe-se que o sinal é uma soma de senóides com frequências, amplitudes e fases iniciais próprias, e possivelmente ruído branco.

O que nós fazemos.
Use análise espectral para determinar:

• o número de harmônicos no sinal, e para cada um: amplitude, frequência (doravante no contexto do número de comprimentos de onda por comprimento de sinal), fase inicial;
• presença/ausência de ruído branco e, se presente, seu desvio padrão (desvio padrão);
• presença/ausência de componente de sinal constante;
• coloque tudo isso em um lindo relatório em PDF com blackjack e ilustrações.

Resolveremos esse problema em Java.

Material

Um pouco especial, magia de Fourier

Na prática de engenharia, a expansão de funções periódicas em séries de Fourier é amplamente utilizada, por exemplo, em problemas de teoria de circuitos: um efeito de entrada não senoidal é expandido na soma dos senoidais e os parâmetros de circuito necessários são calculados, por exemplo, usando o método de superposição.

Existem várias opções possíveis para escrever os coeficientes da série de Fourier, mas só precisamos saber a essência.
A expansão da série de Fourier permite expandir uma função contínua em uma soma de outras funções contínuas. E em geral a série terá um número infinito de termos.

Uma melhoria adicional da abordagem de Fourier é a transformação integral do seu nome. transformada de Fourier .
Ao contrário da série de Fourier, a transformada de Fourier expande uma função não em frequências discretas (o conjunto de frequências da série de Fourier para as quais a expansão é, em geral, discreta), mas em frequências contínuas.
Vejamos como os coeficientes da série de Fourier se relacionam com o resultado da transformada de Fourier, chamada, na verdade, espectro .
Uma pequena digressão: o espectro da transformada de Fourier é, em geral, uma função complexa que descreve amplitudes complexas harmônicos correspondentes. Ou seja, os valores do espectro são números complexos cujos módulos são as amplitudes das frequências correspondentes e os argumentos são as fases iniciais correspondentes. Na prática, eles são considerados separadamente espectro de amplitude E espectro de fase .

Arroz. 1. Correspondência entre a série de Fourier e a transformada de Fourier usando o espectro de amplitude como exemplo.

É fácil ver que os coeficientes da série de Fourier nada mais são do que os valores da transformada de Fourier em tempos discretos.

No entanto, a transformada de Fourier compara uma função infinita, contínua no tempo, com outra função infinita, contínua em frequência - o espectro. E se não tivermos uma função infinita no tempo, mas apenas uma parte dela que é registrada e discreta no tempo? A resposta a esta pergunta é dada pelo desenvolvimento da transformada de Fourier - transformada discreta de Fourier (DFT) .

A transformada discreta de Fourier foi projetada para resolver o problema da necessidade de continuidade e infinito no tempo do sinal. Essencialmente, acreditamos que cortamos alguma parte do sinal infinito, e no resto do domínio do tempo consideramos este sinal como zero.

Matematicamente, isso significa que, tendo uma função f(t) que é infinita no tempo, nós a multiplicamos por alguma função de janela w(t), que desaparece em todos os lugares, exceto no intervalo de tempo que nos interessa.

Se a “saída” da transformada clássica de Fourier é um espectro – uma função, então a “saída” da transformada discreta de Fourier é um espectro discreto. E amostras de um sinal discreto também são fornecidas à entrada.

As propriedades restantes da transformada de Fourier não mudam: você pode ler sobre elas na literatura relevante.

Precisamos apenas saber sobre a transformada de Fourier do sinal senoidal, que tentaremos encontrar em nosso espectro. Em geral, este é um par de funções delta que são simétricas em relação à frequência zero no domínio da frequência.

Arroz. 2. Espectro de amplitude de um sinal sinusoidal.

Já mencionei que, de modo geral, não estamos considerando a função original, mas sim algum produto dela com a função de janela. Então, se o espectro da função original for F(w), e a função de janela for W(w), então o espectro do produto será uma operação tão desagradável quanto a convolução desses dois espectros (F*W)( w) (Teorema da Convolução).

Na prática, isso significa que em vez de uma função delta, veremos algo assim no espectro:

Arroz. 3. Efeito de propagação do espectro.

Este efeito também é chamado espalhamento do espectro (eng. vazamento espectral). E o ruído que aparece devido à propagação do espectro, respectivamente, lóbulos laterais (Lóbulos laterais ingleses).
Para combater os lóbulos laterais, outras funções de janela não retangulares são usadas. A principal característica da “eficiência” de uma função de janela é nível do lóbulo lateral (dB). Uma tabela resumida dos níveis do lóbulo lateral para algumas funções de janela comumente usadas é fornecida abaixo.

O principal problema do nosso problema é que os lóbulos laterais podem mascarar outros harmônicos próximos.

Arroz. 4. Espectros harmônicos separados.

Pode-se observar que ao somar os espectros dados, os harmônicos mais fracos parecem se dissolver nos mais fortes.

Arroz. 5. Apenas um harmônico é claramente visível. Não é bom.

Outra abordagem para combater a dispersão do espectro é subtrair do sinal os harmônicos que criam essa dispersão.
Ou seja, tendo estabelecido a amplitude, frequência e fase inicial do harmônico, podemos subtraí-lo do sinal, ao mesmo tempo que removemos a “função delta” correspondente a ele, e junto com ela os lóbulos laterais por ele gerados. Outra questão é como descobrir com precisão os parâmetros do harmônico desejado. Não é suficiente simplesmente extrair os dados necessários da amplitude complexa. Amplitudes de espectro complexo são formadas em frequências inteiras, porém nada impede que um harmônico tenha frequência fracionada. Neste caso, a amplitude complexa parece confundir-se entre duas frequências adjacentes, e a sua frequência exacta, como outros parâmetros, não pode ser estabelecida.

Para estabelecer a frequência exata e a amplitude complexa do harmônico desejado, usaremos uma técnica amplamente utilizada em muitos ramos da prática da engenharia - heterodinismo .

Vamos ver o que acontece se multiplicarmos o sinal de entrada pelo harmônico complexo Exp(I*w*t). O espectro do sinal mudará um valor w para a direita.
Aproveitaremos essa propriedade deslocando o espectro do nosso sinal para a direita até que o harmônico se torne ainda mais reminiscente da função delta (ou seja, até que alguma relação sinal-ruído local atinja o máximo). Então seremos capazes de calcular a frequência exata do harmônico desejado, como w 0 – w het, e subtraí-la do sinal original para suprimir o efeito da propagação do espectro.
Uma ilustração da variação do espectro dependendo da frequência do oscilador local é mostrada abaixo.

Arroz. 6. Tipo de espectro de amplitude dependendo da frequência do oscilador local.

Repetiremos os procedimentos descritos até eliminarmos todos os harmônicos presentes, e o espectro não nos lembrará o espectro do ruído branco.

Então, precisamos estimar o desvio padrão do ruído branco. Não há truques aqui: você pode simplesmente usar a fórmula para calcular o desvio padrão:

Automatize

1. Procuramos um pico global no espectro de amplitude, acima de um certo limite k.
1.1 Se você não encontrou, vamos terminar
2. Variando a frequência do oscilador local, procuramos um valor de frequência no qual o máximo de uma determinada relação sinal-ruído local será alcançado em uma determinada vizinhança do pico.
3. Se necessário, arredonde os valores de amplitude e fase.
4. Subtraia do sinal um harmônico com a frequência, amplitude e fase encontradas menos a frequência do oscilador local.
5. Vá para o ponto 1.

O algoritmo não é complicado, e a única questão que surge é onde obter os valores limite acima dos quais procuraremos os harmônicos?
Para responder a esta questão, o nível de ruído deve ser avaliado antes de cortar os harmônicos.

Vamos construir uma função de distribuição (olá, estatística matemática), onde o eixo das abcissas será a amplitude dos harmônicos, e o eixo das ordenadas será o número de harmônicos que não excedem em amplitude este mesmo valor do argumento. Um exemplo de tal função construída:

Arroz. 7. Função de distribuição harmônica.

Agora também construiremos uma função - a densidade de distribuição. Ou seja, os valores das diferenças finitas da função de distribuição.

Arroz. 8. Densidade da função de distribuição harmônica.

A abcissa da densidade máxima de distribuição é a amplitude do harmônico que ocorre no espectro o maior número de vezes. Vamos nos afastar um pouco do pico para a direita e considerar a abcissa deste ponto como uma estimativa do nível de ruído em nosso espectro. Agora você pode automatizá-lo.

Veja um trecho de código que detecta harmônicos em um sinal

ArrayList pública detectHarmonics() ( SignalCutter cortador = novo SignalCutter(fonte, novo Sinal(fonte)); SynthesizableComplexExponent heterodinParameter = novo SynthesizableComplexExponent(); heterodinParameter.setProperty("frequência", 0,0); Sinal heterodin = novo Sinal(source.getLength()) ; Sinal heterodinedSignal = new Signal(cutter.getCurrentSignal()); Espectro de espectro = new Spectrum(heterodinedSignal); harmônico int; while ((harmônico = espectro.detectStrongPeak(min)) != -1) ( if (cutter.getCuttersCount( ) > 10) throw new RuntimeException("Não foi possível analisar o sinal! Tente outros parâmetros."); double heterodinSelected = 0.0; double signalToNoise = espectro.getRealAmplitude(harmônico) / espectro.getAverageAmplitudeIn(harmônico, windowSize); for (double heterodinFrequency = -0,5; heterodinaFrequência< (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; heterodinSelected = heterodinFrequency; ) ) Parâmetro SynthesizableCosine = new SynthesizableCosine(); heterodinParameter.setProperty("frequência", heterodinSelected); heterodinParameter.synthesizeIn(heterodina); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()).multiply(heterodin); espectro.recalc(); parâmetro.setProperty("amplitude", MathHelper.adaptiveRound(spectrum.getRealAmplitude(harmonic))); parâmetro.setProperty("frequência", harmônico - heterodinSelected); parâmetro.setProperty("fase", MathHelper.round(spectrum.getPhase(harmonic), 1)); cortador.addSignal (parâmetro); cortador.cutNext(); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()); espectro.recalc(); ) retornar cortador.getSignalsParameters(); )

Parte prática

Análise espectral

Análise espectral- um conjunto de métodos para determinação qualitativa e quantitativa da composição de um objeto, baseado no estudo dos espectros de interação da matéria com a radiação, incluindo os espectros de radiação eletromagnética, ondas acústicas, distribuição de massas e energias de partículas elementares, etc.

Dependendo dos objetivos de análise e dos tipos de espectros, vários métodos de análise espectral são diferenciados. Atômico E molecular as análises espectrais permitem determinar a composição elementar e molecular de uma substância, respectivamente. Nos métodos de emissão e absorção, a composição é determinada a partir dos espectros de emissão e absorção.

A análise espectrométrica de massa é realizada utilizando espectros de massa de íons atômicos ou moleculares e permite determinar a composição isotópica de um objeto.

História

Linhas escuras em faixas espectrais são observadas há muito tempo, mas o primeiro estudo sério dessas linhas foi realizado apenas em 1814 por Joseph Fraunhofer. Em sua homenagem, o efeito foi denominado “Linhas de Fraunhofer”. Fraunhofer estabeleceu a estabilidade das posições das linhas, compilou uma tabela delas (contou 574 linhas no total) e atribuiu um código alfanumérico a cada uma. Não menos importante foi a sua conclusão de que as linhas não estão associadas nem ao material óptico nem à atmosfera terrestre, mas são uma característica natural da luz solar. Ele descobriu linhas semelhantes em fontes de luz artificial, bem como nos espectros de Vênus e Sirius.

Logo ficou claro que uma das linhas mais claras sempre aparecia na presença de sódio. Em 1859, G. Kirchhoff e R. Bunsen, após uma série de experimentos, concluíram: cada elemento químico tem seu próprio espectro de linha único, e do espectro dos corpos celestes pode-se tirar conclusões sobre a composição de sua substância. A partir deste momento surgiu na ciência a análise espectral, um poderoso método para determinação remota de composição química.

Para testar o método, em 1868, a Academia de Ciências de Paris organizou uma expedição à Índia, onde se aproximava um eclipse solar total. Lá, os cientistas descobriram: todas as linhas escuras no momento do eclipse, quando o espectro de emissão substituiu o espectro de absorção da coroa solar, tornaram-se, como previsto, brilhantes contra um fundo escuro.

A natureza de cada uma das linhas e sua ligação com os elementos químicos foram sendo gradualmente esclarecidas. Em 1860, Kirchhoff e Bunsen descobriram o césio usando análise espectral e, em 1861, o rubídio. E o hélio foi descoberto no Sol 27 anos antes da Terra (1868 e 1895, respectivamente).

Princípio da Operação

Os átomos de cada elemento químico possuem frequências de ressonância estritamente definidas, pelo que é nessas frequências que emitem ou absorvem luz. Isso leva ao fato de que em um espectroscópio linhas (escuras ou claras) são visíveis no espectro em determinados locais característicos de cada substância. A intensidade das linhas depende da quantidade de substância e do seu estado. Na análise espectral quantitativa, o conteúdo da substância em estudo é determinado pelas intensidades relativas ou absolutas das linhas ou bandas dos espectros.

A análise espectral óptica é caracterizada pela relativa facilidade de implementação, pela ausência de preparação complexa de amostras para análise e por uma pequena quantidade de substância (10-30 mg) necessária para análise de um grande número de elementos.

Os espectros atômicos (absorção ou emissão) são obtidos transferindo a substância para o estado de vapor, aquecendo a amostra a 1000-10000 °C. Uma faísca ou um arco de corrente alternada são utilizados como fontes de excitação de átomos na análise de emissões de materiais condutores; neste caso, a amostra é colocada na cratera de um dos eletrodos de carbono. Chamas ou plasmas de diversos gases são amplamente utilizados para analisar soluções.

Aplicativo

Recentemente, os métodos mais difundidos de análise espectral por espectrometria de emissão e massa, baseados na excitação de átomos e sua ionização em plasma de argônio de descargas de indução, bem como em uma faísca de laser.

A análise espectral é um método sensível e amplamente utilizado em química analítica, astrofísica, metalurgia, engenharia mecânica, exploração geológica e outros ramos da ciência.

Na teoria do processamento de sinais, análise espectral também significa a análise da distribuição de energia de um sinal (por exemplo, áudio) em frequências, números de onda, etc.

Veja também

Fundação Wikimedia. 2010.

• Bálticos
• Han do Norte

Veja o que é “Análise espectral” em outros dicionários:

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ANÁLISE ESPECTRAL- ANÁLISE ESPECTRAL, um dos métodos de análise, em que se utilizam espectros (ver Espectroscopia, espectroscópio) dados por este ou aquele corpo quando são aquecidos! ou ao passar raios através de soluções, dando um espectro contínuo. Para… … Grande Enciclopédia Médica

ANÁLISE ESPECTRAL- um método físico para determinação qualitativa e quantitativa da composição de uma substância, realizado através do seu espectro óptico. Existem análises espectrais atômicas e moleculares, de emissão (baseada em espectros de emissão) e de absorção (baseada em espectros... ... Grande Dicionário Enciclopédico

Análise espectral- método matemático-estatístico de análise de séries temporais, em que a série é considerada como um conjunto complexo, uma mistura de oscilações harmônicas sobrepostas umas às outras. Neste caso, a atenção principal é dada à frequência... ... Dicionário econômico-matemático

ANÁLISE ESPECTRAL- físico métodos de determinação qualitativa e quantitativa de produtos químicos. composição de quaisquer substâncias com base na obtenção e estudo do seu espectro óptico. Dependendo da natureza dos espectros utilizados, distinguem-se os seguintes tipos: emissões (emissão C ... Grande Enciclopédia Politécnica

Análise espectral- I A análise espectral é um método físico de determinação qualitativa e quantitativa da composição atómica e molecular de uma substância, com base no estudo dos seus espectros. Base física de S. a. Espectroscopia de átomos e moléculas, é... ... Grande Enciclopédia Soviética

Análise espectral- O conteúdo do artigo. I. Brilho dos corpos. Espectro de emissão. Espectro solar. Linhas Fraunhofer. Espectros prismáticos e de difração. Dispersão de cores de prisma e grade. II. Espectroscópios. Espectroscópio cotovelo e reto à visão direta.… … Dicionário Enciclopédico F.A. Brockhaus e I.A. Efron

Introdução………………………………………………………………………….2

Mecanismo de radiação…………………………………………………………………………..3

Distribuição de energia no espectro…………………………………………………….4

Tipos de espectros…………………………………………………………………………………….6

Tipos de análises espectrais ……………………………………………………… 7

Conclusão………………………………………………………………………………..9

Literatura………………………………………………………………………….11

Introdução

Espectro é a decomposição da luz em suas partes componentes, raios de cores diferentes.

O método de estudar a composição química de várias substâncias a partir de seus espectros de emissão ou absorção linear é denominado análise espectral. Uma quantidade insignificante de substância é necessária para a análise espectral. A sua rapidez e sensibilidade tornaram este método indispensável tanto em laboratórios como em astrofísica. Como cada elemento químico da tabela periódica emite um espectro linear de emissão e absorção característico apenas dele, isso permite estudar a composição química da substância. Os físicos Kirchhoff e Bunsen tentaram fazê-lo pela primeira vez em 1859, construindo espectroscópio. A luz passou por ele através de uma fenda estreita cortada em uma das bordas do telescópio (este tubo com uma fenda é chamado de colimador). Do colimador, os raios caíam sobre um prisma coberto por uma caixa forrada com papel preto por dentro. O prisma desviou os raios que vinham da fenda. O resultado foi um espectro. Depois disso, cobriram a janela com uma cortina e colocaram um queimador aceso na fenda do colimador. Pedaços de várias substâncias foram introduzidos alternadamente na chama da vela e eles observaram o espectro resultante através de um segundo telescópio. Descobriu-se que os vapores incandescentes de cada elemento produziam raios de uma cor estritamente definida, e o prisma desviava esses raios para um local estritamente definido e, portanto, nenhuma cor poderia mascarar a outra. Isto levou à conclusão de que um método radicalmente novo de análise química havia sido encontrado – usando o espectro de uma substância. Em 1861, com base nesta descoberta, Kirchhoff comprovou a presença de vários elementos na cromosfera do Sol, lançando as bases para a astrofísica.

Mecanismo de radiação

A fonte de luz deve consumir energia. A luz são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda de 4*10 -7 - 8*10 -7 M. As ondas eletromagnéticas são emitidas pelo movimento acelerado de partículas carregadas. Essas partículas carregadas fazem parte dos átomos. Mas sem saber como o átomo está estruturado, nada confiável pode ser dito sobre o mecanismo da radiação. É apenas claro que não há luz dentro de um átomo, assim como não há som numa corda de piano. Como uma corda que só começa a soar depois de ser atingida por um martelo, os átomos só dão origem à luz depois de serem excitados.

Para que um átomo comece a irradiar, a energia deve ser transferida para ele. Ao emitir, um átomo perde a energia que recebe e, para o brilho contínuo de uma substância, é necessário um influxo de energia externa para seus átomos.

Radiação térmica. O tipo de radiação mais simples e comum é a radiação térmica, em que a energia perdida pelos átomos para emitir luz é compensada pela energia do movimento térmico dos átomos ou (moléculas) do corpo emissor. Quanto maior a temperatura corporal, mais rápido os átomos se movem. Quando átomos rápidos (moléculas) colidem entre si, parte de sua energia cinética é convertida em energia de excitação dos átomos, que então emitem luz.

A fonte térmica de radiação é o Sol, assim como uma lâmpada incandescente comum. A lâmpada é uma fonte muito conveniente, mas de baixo custo. Apenas cerca de 12% da energia total liberada pela corrente elétrica em uma lâmpada é convertida em energia luminosa. A fonte térmica de luz é uma chama. Os grãos de fuligem aquecem devido à energia liberada durante a combustão do combustível e emitem luz.

Eletroluminescência. A energia necessária aos átomos para emitir luz também pode vir de fontes não térmicas. Durante uma descarga em gases, o campo elétrico transmite maior energia cinética aos elétrons. Os elétrons rápidos experimentam colisões com átomos. Parte da energia cinética dos elétrons vai para excitar os átomos. Átomos excitados liberam energia na forma de ondas de luz. Devido a isso, a descarga no gás é acompanhada por um brilho. Isso é eletroluminescência.

Catodoluminescência. O brilho dos sólidos causado pelo bombardeio de elétrons é chamado de catodoluminescência. Graças à catodoluminescência, as telas dos tubos de raios catódicos das televisões brilham.

Quimiluminescência. Em algumas reações químicas que liberam energia, parte dessa energia é gasta diretamente na emissão de luz. A fonte de luz permanece fria (está à temperatura ambiente). Este fenômeno é denominado quimioluminescência.

Fotoluminescência. A luz incidente em uma substância é parcialmente refletida e parcialmente absorvida. A energia da luz absorvida, na maioria dos casos, causa apenas o aquecimento dos corpos. No entanto, alguns corpos começam a brilhar diretamente sob a influência da radiação incidente sobre eles. Isso é fotoluminescência. A luz excita os átomos de uma substância (aumenta sua energia interna), após o que eles próprios são iluminados. Por exemplo, as tintas luminosas que cobrem muitas decorações de árvores de Natal emitem luz após serem irradiadas.

A luz emitida durante a fotoluminescência, via de regra, tem comprimento de onda maior que a luz que excita o brilho. Isso pode ser observado experimentalmente. Se você direcionar um feixe de luz para um recipiente contendo fluoresceíta (um corante orgânico),

passado por um filtro de luz violeta, esse líquido começa a brilhar com luz verde-amarela, ou seja, luz de comprimento de onda maior que a luz violeta.

O fenômeno da fotoluminescência é amplamente utilizado em lâmpadas fluorescentes. O físico soviético S.I. Vavilov propôs cobrir a superfície interna do tubo de descarga com substâncias capazes de brilhar intensamente sob a ação da radiação de ondas curtas de uma descarga de gás. As lâmpadas fluorescentes são aproximadamente três a quatro vezes mais econômicas que as lâmpadas incandescentes convencionais.

São listados os principais tipos de radiação e as fontes que as criam. As fontes mais comuns de radiação são térmicas.

Distribuição de energia no espectro

Na tela atrás do prisma refrativo, as cores monocromáticas do espectro estão dispostas na seguinte ordem: vermelho (que tem o maior comprimento de onda entre as ondas de luz visível (k = 7,6 (10-7 m e o menor índice de refração), laranja, amarelo , verde, ciano, azul e violeta (tendo o comprimento de onda mais curto no espectro visível (f = 4 (10-7 m e o maior índice de refração). Nenhuma das fontes produz luz monocromática, ou seja, luz de comprimento de onda estritamente definido • Experimentos sobre decomposição da luz em um espectro usando um prisma, bem como experimentos sobre interferência e difração.

A energia que a luz carrega da fonte é distribuída de certa forma pelas ondas de todos os comprimentos que compõem o feixe de luz. Podemos dizer também que a energia está distribuída pelas frequências, pois existe uma relação simples entre comprimento de onda e frequência: v = c.

A densidade de fluxo da radiação eletromagnética, ou intensidade /, é determinada pela energia &W atribuível a todas as frequências. Para caracterizar a distribuição de frequência da radiação, é necessário introduzir uma nova quantidade: a intensidade por unidade de intervalo de frequência. Essa quantidade é chamada de densidade espectral de intensidade de radiação.

A densidade do fluxo de radiação espectral pode ser encontrada experimentalmente. Para fazer isso, você precisa usar um prisma para obter o espectro de radiação, por exemplo, de um arco elétrico, e medir a densidade do fluxo de radiação caindo em pequenos intervalos espectrais de largura Av.

Você não pode confiar em seus olhos para estimar a distribuição de energia. O olho tem sensibilidade seletiva à luz: sua sensibilidade máxima está na região verde-amarela do espectro. É melhor aproveitar a propriedade de um corpo negro de absorver quase completamente a luz de todos os comprimentos de onda. Neste caso, a energia da radiação (ou seja, luz) causa aquecimento do corpo. Portanto, basta medir a temperatura corporal e utilizá-la para avaliar a quantidade de energia absorvida por unidade de tempo.

Um termômetro comum é muito sensível para ser usado com sucesso em tais experimentos. São necessários instrumentos mais sensíveis para medir a temperatura. Você pode pegar um termômetro elétrico, no qual o elemento sensível é feito na forma de uma fina placa de metal. Esta placa deve ser revestida com uma fina camada de fuligem, que absorve quase completamente a luz de qualquer comprimento de onda.

A placa sensível ao calor do dispositivo deve ser colocada em um ou outro local do espectro. Todo o espectro visível de comprimento l dos raios vermelho ao violeta corresponde ao intervalo de frequência de v cr a y f. A largura corresponde a um pequeno intervalo Av. Ao aquecer a placa preta do dispositivo, pode-se avaliar a densidade do fluxo de radiação por intervalo de frequência Av. Movendo a placa ao longo do espectro, descobriremos que a maior parte da energia está na parte vermelha do espectro, e não na parte verde-amarelada, como parece aos olhos.

Com base nos resultados desses experimentos, é possível construir uma curva de dependência da densidade espectral da intensidade da radiação com a frequência. A densidade espectral da intensidade da radiação é determinada pela temperatura da placa, e a frequência não é difícil de ser encontrada se o dispositivo utilizado para decompor a luz estiver calibrado, ou seja, se se souber a que frequência corresponde uma determinada parte do espectro. para.

Ao traçar ao longo do eixo das abcissas os valores das frequências correspondentes aos pontos médios dos intervalos Av, e ao longo do eixo das ordenadas a densidade espectral da intensidade da radiação, obtemos uma série de pontos através dos quais podemos traçar uma curva suave. Esta curva dá uma representação visual da distribuição de energia e da parte visível do espectro do arco elétrico.

Um dos principais métodos de análise da composição química de uma substância é a análise espectral. A análise da sua composição é realizada com base no estudo do seu espectro. Análise espectral - utilizada em diversos estudos. Com sua ajuda, foi descoberto um complexo de elementos químicos: He, Ga, Cs. na atmosfera do Sol. Assim como Rb, In e XI, a composição do Sol e da maioria dos outros corpos celestes é determinada.

Formulários

Especialização espectral, comum em:

1. Metalurgia;
2. Geologia;
3. Química;
4. Mineralogia;
5. Astrofísica;
6. Biologia;
7. medicina, etc.

Permite encontrar as menores quantidades de uma substância estabelecida nos objetos em estudo (até 10 - MS) A análise espectral é dividida em qualitativa e quantitativa.

Métodos

O método para estabelecer a composição química de uma substância com base no espectro é a base da análise espectral. Os espectros de linha têm uma personalidade única, assim como as impressões digitais humanas ou o padrão dos flocos de neve. A singularidade dos padrões na pele de um dedo é uma grande vantagem na busca por um criminoso. Portanto, graças às peculiaridades de cada espectro, é possível estabelecer o conteúdo químico do corpo por meio da análise da composição química da substância. Mesmo que a massa do elemento não exceda 10 - 10 g, por meio da análise espectral ele pode ser detectado na composição de uma substância complexa. Este é um método bastante sensível.

Análise espectral de emissão

A análise espectral de emissões é uma série de métodos para determinar a composição química de uma substância a partir de seu espectro de emissão. A base para o método de estabelecimento da composição química de uma substância - exame espectral - baseia-se nos padrões dos espectros de emissão e espectros de absorção. Este método permite identificar milionésimos de miligrama de uma substância.

Existem métodos de exame qualitativo e quantitativo, de acordo com o estabelecimento da química analítica como disciplina, cujo objetivo é formular métodos para estabelecer a composição química de uma substância. Os métodos para identificar uma substância tornam-se extremamente importantes na análise orgânica qualitativa.

Com base no espectro linear de vapores de qualquer substância, é possível determinar quais elementos químicos estão contidos em sua composição, pois qualquer elemento químico possui seu próprio espectro de emissão específico. Este método de estabelecer a composição química de uma substância é denominado análise espectral qualitativa.

Análise espectral de raios X

Existe outro método para identificar um produto químico chamado análise espectral de raios X. A análise espectral de raios X baseia-se na ativação dos átomos de uma substância quando ela é irradiada com raios X, processo denominado secundário ou fluorescente. A ativação também é possível quando irradiado com elétrons de alta energia; neste caso, o processo é denominado excitação direta. Como resultado do movimento dos elétrons nas camadas eletrônicas internas mais profundas, aparecem linhas de raios X.

A fórmula de Wulff-Bragg permite definir os comprimentos de onda na composição da radiação de raios X ao usar um cristal de estrutura popular com uma distância d conhecida. Esta é a base do método de determinação. A substância em estudo é bombardeada com elétrons de alta velocidade. Ele é colocado, por exemplo, no ânodo de um tubo de raios X desmontável, após o qual emite raios X característicos que incidem sobre um cristal de estrutura conhecida. Os ângulos são medidos e os comprimentos de onda correspondentes são calculados através da fórmula, após fotografar o padrão de difração resultante.

Técnicas

Atualmente, todos os métodos de análise química são baseados em duas técnicas. Seja no teste físico, seja no teste químico, comparando a concentração estabelecida com sua unidade de medida:

Físico

A técnica física baseia-se no método de correlacionar uma unidade de quantidade de um componente com um padrão, medindo sua propriedade física, que depende de seu conteúdo em uma amostra da substância. A relação funcional “Saturação da propriedade – conteúdo do componente na amostra” é determinada por tentativa, calibrando os meios de medição de uma determinada propriedade física de acordo com o componente que está sendo instalado. A partir do gráfico de calibração obtêm-se relações quantitativas, construídas nas coordenadas: “saturação de uma propriedade física - concentração do componente instalado”.

Químico

Uma técnica química é usada no método de correlacionar uma unidade de quantidade de um componente com um padrão. Aqui são utilizadas as leis de conservação da quantidade ou massa de um componente durante interações químicas. As interações químicas são baseadas nas propriedades químicas dos compostos químicos. Em uma amostra de uma substância, é realizada uma reação química que atende aos requisitos especificados para determinar o componente desejado, e é medido o volume ou massa envolvida na reação química específica dos componentes. As relações quantitativas são obtidas e, em seguida, é registrado o número de equivalentes de um componente para uma determinada reação química ou a lei da conservação da massa.

Dispositivos

Os instrumentos para analisar a composição física e química de uma substância são:

1. Analisadores de gases;
2. Alarmes de concentrações máximas admissíveis e explosivas de vapores e gases;
3. Concentradores para soluções líquidas;
4. Medidores de densidade;
5. Medidores de sal;
6. Medidores de umidade e outros dispositivos semelhantes em finalidade e integridade.

Com o tempo, a gama de objetos analisados ​​aumenta e a velocidade e precisão da análise aumentam. Um dos métodos instrumentais mais importantes para estabelecer a composição química atômica de uma substância é a análise espectral.

Todos os anos surgem cada vez mais complexos de instrumentos para análise espectral quantitativa. Eles também produzem os mais avançados tipos de equipamentos e métodos para gravação de espectro. Os laboratórios espectrais são organizados inicialmente em engenharia mecânica, metalurgia e depois em outras áreas da indústria. Com o tempo, a velocidade e a precisão da análise aumentam. Além disso, a área de objetos analisados ​​está se expandindo. Um dos principais métodos instrumentais para determinar a composição química atômica de uma substância é a análise espectral.

A análise espectral é um método para determinar a composição química de uma substância a partir de seu espectro. Este método foi desenvolvido em 1859 pelos cientistas alemães G.R. Kirchhoff e R.V. Bunsen.

Mas antes de olharmos para esta questão bastante complexa, vamos primeiro falar sobre o que é espectro.
Faixa(espectro latino “visão”) em física - a distribuição de valores de uma quantidade física (geralmente energia, frequência ou massa). Normalmente, espectro refere-se ao espectro eletromagnético - o espectro de frequências (ou o mesmo que as energias quânticas) da radiação eletromagnética.

O termo espectro foi introduzido no uso científico por Newton em 1671-1672 para designar uma faixa multicolorida, semelhante a um arco-íris, obtida quando um raio de sol passa por um prisma triangular de vidro. Em sua obra “Óptica” (1704), publicou os resultados de seus experimentos de decomposição da luz branca por meio de um prisma em componentes individuais de diferentes cores e refrangibilidade, ou seja, obteve os espectros da radiação solar e explicou sua natureza. Ele mostrou que a cor é uma propriedade intrínseca da luz e não é introduzida por um prisma, como argumentou Bacon no século XIII. Na verdade, Newton lançou as bases da espectroscopia óptica: em “Óptica” ele descreveu todos os três métodos de decomposição de luz usados ​​​​hoje - refração, interferência(redistribuição da intensidade da luz como resultado da superposição de várias ondas de luz) e difração(ondas contornando um obstáculo).
Agora vamos voltar à conversa sobre o que é análise espectral.

Este é um método que fornece informações valiosas e variadas sobre os corpos celestes. Como isso é feito? A luz é analisada, e a partir da análise da luz é possível determinar a composição química qualitativa e quantitativa da luminária, sua temperatura, a presença e força do campo magnético, a velocidade de movimento ao longo da linha de visão, etc.
A análise espectral baseia-se no conceito de que a luz complexa, ao passar de um meio para outro (por exemplo, do ar para o vidro), é decomposta em suas partes componentes. Se um feixe dessa luz for direcionado para a face lateral de um prisma triédrico, então, refratando no vidro de diferentes maneiras, os raios que compõem a luz branca produzirão uma faixa de arco-íris na tela, chamada espectro. No espectro, todas as cores estão sempre localizadas em uma determinada ordem. Se você esqueceu esse pedido, veja a foto.

Prisma como dispositivo espectral

Nos telescópios, instrumentos especiais são usados ​​para obter o espectro - espectrógrafos, instalado atrás do foco da lente do telescópio. No passado, todos os espectrógrafos eram prismáticos, mas agora usam um prisma em vez de um prisma. grade de difração, que também decompõe a luz branca em um espectro, é chamado de espectro de difração.
Todo mundo sabe que a luz viaja na forma de ondas eletromagnéticas. Cada cor corresponde a um comprimento de onda eletromagnético específico. O comprimento de onda no espectro diminui dos raios vermelhos para os raios violetas de aproximadamente 700 a 400 mmk. Atrás dos raios violetas do espectro estão os raios ultravioleta, que não são visíveis a olho nu, mas atuam na chapa fotográfica.

Os raios X usados ​​na medicina têm um comprimento de onda ainda mais curto. A atmosfera da Terra bloqueia a radiação de raios X dos corpos celestes. Só recentemente tornou-se disponível para estudo através de lançamentos de foguetes de alta altitude que se elevam acima da camada principal da atmosfera. As observações em raios X também são feitas por instrumentos automáticos instalados em estações espaciais interplanetárias.

Atrás dos raios vermelhos do espectro estão os raios infravermelhos. São invisíveis, mas também atuam em chapas fotográficas especiais. Observações espectrais geralmente significam observações na faixa dos raios infravermelhos aos ultravioletas.

Para estudar espectros, instrumentos chamados espectroscópio e espectrógrafo. O espectro é examinado em um espectroscópio e fotografado em um espectrógrafo. A fotografia do espectro é chamada espectrograma.

Tipos de espectros

Espectro em forma de íris (sólido ou contínuo) fornecem corpos sólidos quentes (carvão quente, filamento de lâmpada elétrica) e enormes massas de gás sob alta pressão. Espectro de linha a radiação é produzida por gases e vapores rarefeitos quando fortemente aquecidos ou sob a influência de uma descarga elétrica. Cada gás possui seu próprio conjunto de linhas brilhantes emitidas de cores específicas. Sua cor corresponde a certos comprimentos de onda. Eles estão sempre nos mesmos lugares do espectro. Mudanças no estado de um gás ou nas suas condições de brilho, por exemplo, aquecimento ou ionização, causam certas mudanças no espectro de um determinado gás.

Os cientistas compilaram tabelas listando as linhas de cada gás e indicando o brilho de cada linha. Por exemplo, no espectro do sódio, duas linhas amarelas são especialmente brilhantes. Foi estabelecido que o espectro de um átomo ou molécula está associado à sua estrutura e reflete certas mudanças que neles ocorrem durante o processo de brilho.

Um espectro de absorção linear é produzido por gases e vapores quando atrás deles existe uma fonte brilhante e mais quente, o que produz um espectro contínuo. Espectro de absorção consiste em um espectro contínuo, cortado por linhas escuras, que se localizam nos mesmos locais onde deveriam estar localizadas as linhas brilhantes inerentes a um determinado gás. Por exemplo, duas linhas escuras de absorção de sódio estão localizadas na parte amarela do espectro.

Assim, a análise espectral permite determinar a composição química dos vapores que emitem ou absorvem luz; determinar se eles estão em um laboratório ou em um corpo celeste. O número de átomos ou moléculas situados na nossa linha de visão, emitindo ou absorvendo, é determinado pela intensidade das linhas. Quanto mais átomos, mais brilhante será a linha ou mais escura será no espectro de absorção. O sol e as estrelas estão rodeados por atmosferas gasosas. O espectro contínuo de sua superfície visível é cortado por linhas escuras de absorção que aparecem quando a luz passa pela atmosfera das estrelas. É por isso Os espectros do Sol e das estrelas são espectros de absorção.

Mas a análise espectral permite determinar a composição química apenas de gases autoluminosos ou que absorvem radiação. A composição química de um corpo sólido ou líquido não pode ser determinada por análise espectral.

Quando um corpo está em brasa, a parte vermelha do seu espectro contínuo é mais brilhante. Com aquecimento adicional, o brilho mais alto do espectro passa para a parte amarela, depois para a parte verde, etc. A teoria da emissão de luz, testada experimentalmente, mostra que a distribuição do brilho ao longo do espectro contínuo depende da temperatura corporal. Conhecendo essa dependência, é possível determinar a temperatura do Sol e das estrelas. A temperatura dos planetas e a temperatura das estrelas também são determinadas por meio de um termoelemento colocado no foco do telescópio. Quando o termoelemento é aquecido, surge nele uma corrente elétrica, caracterizando a quantidade de calor proveniente da luminária.