Значення спектрального аналізу. Спектральний аналіз та види спектрів

Нещодавно товариш Makeman описував, як за допомогою спектрального аналізу можна розкласти деякий звуковий сигнал на складові його ноти. Давайте трохи абстрагуємося від звуку і припустимо, що у нас є деякий оцифрований сигнал, спектральний склад якого ми хочемо визначити, і досить точно.

Під катом короткий огляд методу виділення гармонік із довільного сигналу за допомогою цифрового гетеродинування, та трохи особливої, Фур'є-магії.

Отже, що маємо.
Файл із відліками оцифрованого сигналу. Відомо, що сигнал є сумою синусоїд зі своїми частотами, амплітудами і початковими фазами, і, можливо, білий шум.

Що будемо робити.
Використовувати спектральний аналіз для того, щоб визначити:

• кількість гармонік у складі сигналу, а кожної: амплітуду, частоту (далі у тих числа довжин хвиль на довжину сигналу), початкову фазу;
• наявність/відсутність білого шуму, а за наявності його СКО (середньоквадратичне відхилення);
• наявність/відсутність постійної складової сигналу;
• все це оформити в красивий PDF звіт з блекджеком та ілюстраціями.

Вирішуватимемо це завдання на Java.

Матчастина

Небагато особливої, Фур'є-магії

В інженерній практиці розкладання періодичних функцій у ряд Фур'є широко використовується, наприклад, у задачах теорії ланцюгів: несинусоїдальний вхідний вплив розкладають на суму синусоїдальних і розраховують необхідні параметри ланцюгів, наприклад, методом накладання.

Існує кілька можливих варіантів запису коефіцієнтів низки Фур'є, нам лише необхідно знати суть.
Розкладання в ряд Фур'є дозволяє розкласти безперервну функцію на суму інших безперервних функцій. І в загальному випадку, ряд матиме нескінченну кількість членів.

Подальшим удосконаленням підходу Фур'є є інтегральне перетворення його імені. Перетворення Фур'є .
На відміну від низки Фур'є, перетворення Фур'є розкладає функцію не за дискретними частотами (набір частот ряду Фур'є, за якими відбувається розкладання, взагалі кажучи, дискретний), а за безперервними.
Погляньмо на те, як співвідносяться коефіцієнти ряду Фур'є і результат перетворення Фур'є, що називається, власне, спектром .
Невеликий відступ: спектр перетворення Фур'є - у загальному випадку, функція комплексна, що описує комплексні амплітуди відповідних гармонік. Тобто значення спектру - це комплексні числа, чиї модулі є амплітудами відповідних частот, а аргументи - відповідними початковими фазами. На практиці розглядають окремо амплітудний спектр і фазовий спектр .

Мал. 1. Відповідність низки Фур'є та перетворення Фур'є на прикладі амплітудного спектра.

Легко видно, що коефіцієнти низки Фур'є є чим іншим, як значеннями перетворення Фур'є в дискретні моменти часу.

Однак, перетворення Фур'є зіставляє безперервну в часі, нескінченну функцію іншу, безперервну за частотою, нескінченну функцію - спектр. Як бути, якщо ми не маємо нескінченної в часі функції, а є лише якась записана її дискретна в часі частина? Відповідь на це питання дає подальший розвиток перетворення Фур'є - дискретне перетворення Фур'є (ДПФ) .

Дискретне перетворення Фур'є покликане вирішити проблему необхідності безперервності та нескінченності у часі сигналу. По суті, ми вважаємо, що вирізали якусь частину нескінченного сигналу, а решту тимчасової області вважаємо цей сигнал нульовим.

Математично це означає, що, маючи досліджувану нескінченну в часі функцію f(t), ми множимо її на деяку віконну функцію w(t), яка звертається в нуль скрізь, крім цікавого для нас інтервалу часу.

Якщо «виходом» класичного перетворення Фур'є спектр – функція, то «виходом» дискретного перетворення Фур'є є дискретний спектр. І на вхід також подаються відліки дискретного сигналу.

Інші властивості перетворення Фур'є не змінюються: про них можна прочитати у відповідній літературі.

Нам же потрібно лише знати про Фур'є-образ синусоїдального сигналу, який ми і намагатимемося відшукати в нашому спектрі. Загалом, це пара дельта-функцій, симетрична щодо нульової частоти частотної області.

Мал. 2. Амплітудний спектр синусоїдального сигналу.

Я вже згадав, що, взагалі кажучи, ми розглядаємо не вихідну функцію, а деякий її твір із віконною функцією. Тоді, якщо спектр вихідної функції - F(w), а віконної W(w), то спектром твору буде така неприємна операція, як згортка цих двох спектрів (F*W)(w) (Теорема про згортку).

На практиці це означає, що замість дельта-функції, у спектрі ми побачимо щось на кшталт цього:

Мал. 3. Ефект розтікання діапазону.

Цей ефект називають також розтіканням спектру (англ. Spectral leekage). А шуми, що з'являються внаслідок розтікання спектра, відповідно, бічними пелюстками (англ. sidelobes).
Для боротьби з бічними пелюстками застосовують інші, непрямокутні віконні функції. Основною характеристикою «ефективності» віконної функції є рівень бічних пелюсток (ДБ). Зведена таблиця рівнів бічних пелюсток для деяких віконних функцій, що часто використовуються, наведена нижче.

Основною проблемою нашого завдання є те, що бічні пелюстки можуть маскувати інші гармоніки, що лежать поруч.

Мал. 4. Окремі діапазони гармонік.

Видно, що при складанні наведених спектрів, слабші гармоніки ніби розчиняться в сильнішій.

Мал. 5. Чітко видно лише одну гармоніку. Не добре.

Інший підхід до боротьби з розтіканням спектру полягає у відніманні з сигналу гармонік, що створюють це саме розтікання.
Тобто, встановивши амплітуду, частоту і початкову фазу гармоніки, можна відняти її з сигналу, при цьому ми приберемо і «дельта-функцію», що відповідає їй, а разом з нею і бічні пелюстки, які її породжують. Інше питання полягає в тому, як точно дізнатися параметри потрібної гармоніки. Недостатньо просто взяти потрібні дані із комплексної амплітуди. Комплексні амплітуди спектра сформовані за цілими частотами, однак, ніщо не заважає гармоніці мати і дрібну частоту. І тут, комплексна амплітуда хіба що розпливається між двома сусідніми частотами, і точну її частоту, як та інші параметри, встановити не можна.

Для встановлення точної частоти та комплексної амплітуди потрібної гармоніки ми скористаємося прийомом, що широко застосовується в багатьох галузях інженерної практики. гетеродинування .

Подивимося, що вийде, якщо помножити вхідний сигнал комплексну гармоніку Exp(I*w*t). Спектр сигналу зрушить на величину w вправо.
Цією властивістю ми і скористаємося, зрушуючи спектр нашого сигналу вправо, доти, поки гармоніка не стане ще більше нагадувати дельта-функцію (тобто поки деяке локальне відношення сигнал/шум не досягне максимуму). Тоді ми зможемо обчислити точну частоту потрібної гармоніки, як w 0 – w геть, і відняти її з вихідного сигналу задля придушення ефекту розтікання спектра.
Ілюстрацію зміни спектру в залежності від частоти гетеродина показано нижче.

Мал. 6. Вид амплітудного діапазону залежно від частоти гетеродина.

Будемо повторювати описані процедури доти, доки не виріжемо всі присутні гармоніки, і спектр не нагадуватиме нам спектр білого шуму.

Потім треба оцінити СКО білого шуму. Хитрощів тут немає: можна просто скористатися формулою для обчислення СКО:

Автоматизуй це

1. Шукаємо глобальний пік амплітудного спектру, вищий за деякий поріг k.
1.1 Якщо не знайшли, закінчуємо
2. Варіюючи частоту гетеродина, шукаємо таке значення частоти, при якій буде досягатися максимум деякого локального відношення сигнал/шум в околиці піку
3. При необхідності округляємо значення амплітуди та фази.
4. Віднімаємо з сигналу гармоніку зі знайденою частотою, амплітудою та фазою за вирахуванням частоти гетеродина.
5. Переходимо до пункту 1.

Алгоритм не складний, і єдине питання - звідки ж брати значення порога, вище якого будемо шукати гармоніки?
Для відповіді це питання, слід оцінити рівень шуму ще до вирізання гармонік.

Побудуємо функцію розподілу (привіт, мат. cтатистика), де по осі абсцис буде амплітуда гармонік, а по осі ординат - кількість гармонік, що не перевищують по амплітуді це значення аргументу. Приклад такої збудованої функції:

Мал. 7. Функція розподілу гармонік.

Тепер збудуємо ще й функцію – щільність розподілу. Тобто значення кінцевих різниць від функції розподілу.

Мал. 8. Щільність функції розподілу гармонік.

Абсцис максимуму щільності розподілу і є амплітудою гармоніки, що зустрічається в спектрі найбільше разів. Відійдемо від піку вправо на деяку відстань, і вважатимемо абсцис цієї точки оцінкою рівня шуму в нашому спектрі. Ось тепер можна автоматизувати.

Подивитися на шматок коду, що детектирує гармоніки у складі сигналу

public ArrayList detectHarmonics() ( SignalCutter cutter = новий SignalCutter(source, новий Signal(source)); SynthesizableComplexExponent heterodinParameter = новий SynthesizableComplexExponent(); heterodinParameter.setProperty("frequency", 0.0); Signal heterodinedSignal = new Signal(cutter.getCurrentSignal()); Spectrum spectrum = new Spectrum(heterodinedSignal); int harmonic; ) > 10) throw new RuntimeException("Unable to analyze signal! Try another parameters.");double heterodinSelected = 0.0; -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; heterodinSelected = heterodinFrequency; ) ) SynthesizableCosine parameter = new SynthesizableCosine(); heterodinParameter.setProperty("frequency", heterodinSelected); heterodinParameter.synthesizeIn(heterodin); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()).multiply(heterodin); spectrum.recalc(); parameter.setProperty("amplitude", MathHelper.adaptiveRound(spectrum.getRealAmplitude(harmonic))); parameter.setProperty("frequency", harmonic - heterodinSelected); parameter.setProperty("phase", MathHelper.round(spectrum.getPhase(harmonic), 1)); cutter.addSignal(parameter); cutter.cutNext(); heterodinedSignal.set(cutter.getCurrentSignal()); spectrum.recalc(); ) return cutter.getSignalsParameters(); )

Практична частина

Спектральний аналіз

Спектральний аналіз- сукупність методів якісного та кількісного визначення складу об'єкта, заснована на вивченні спектрів взаємодії матерії з випромінюванням, включаючи спектри електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль, розподілу мас і енергій елементарних частинок та ін.

Залежно від цілей аналізу та типів спектрів виділяють кілька методів спектрального аналізу. Атомнийі молекулярнийспектральні аналізи дозволяють визначати елементний та молекулярний склад речовини, відповідно. В емісійному та абсорбційному методах склад визначається за спектрами випромінювання та поглинання.

Мас-спектрометричний аналіз здійснюється за спектрами мас атомарних або молекулярних іонів та дозволяє визначати ізотопний склад об'єкта.

Історія

Темні лінії на спектральних смужках були помічені давно, але перше серйозне дослідження цих ліній було здійснено лише 1814 року Йозефом Фраунгофером. На його честь ефект отримав назву «Фраунгоферові лінії». Фраунгофер встановив стабільність положення ліній, склав їх таблицю (всього він нарахував 574 лінії), привласнив кожній буквено-цифровий код. Не менш важливим стало його висновок, що лінії не пов'язані ні з оптичним матеріалом, ні із земною атмосферою, але є природною характеристикою сонячного світла. Аналогічні лінії він виявив у штучних джерел світла, а також у спектрах Венери та Сіріуса.

Невдовзі з'ясовувалося, що з найвиразніших ліній завжди з'являється у присутності натрію. У 1859 році Г. Кірхгоф і Р. Бунзен після серії експериментів уклали: кожен хімічний елемент має свій неповторний лінійний спектр, і за спектром небесних світил можна зробити висновки про склад їхньої речовини. З цього моменту в науці виник спектральний аналіз, сильний спосіб дистанційного визначення хімічного складу.

Для перевірки методу в 1868 Паризька академія наук організувала експедицію в Індію, де мало бути повне сонячне затемнення. Там вчені виявили: всі темні лінії в момент затемнення, коли спектр випромінювання змінив спектр поглинання сонячної корони стали, як і було передбачено, яскравими на темному тлі.

Природа кожної з ліній, їх зв'язок із хімічними елементами з'ясовувалися поступово. В 1860 Кірхгоф і Бунзен за допомогою спектрального аналізу відкрили цезій, а в 1861 - рубідій. А гелій було відкрито Сонце на 27 років раніше, ніж Землі (1868 і 1895 роки відповідно).

Принцип роботи

Атоми кожного хімічного елемента мають строго певні резонансні частоти, у результаті саме цих частотах вони випромінюють чи поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видно лінії (темні або світлі) у певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини та її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають вміст досліджуваної речовини щодо відносної або абсолютної інтенсивності ліній або смуг у спектрах.

Оптичний спектральний аналіз характеризується відносною простотою виконання, відсутністю складної підготовки проб до аналізу, незначною кількістю речовини (10-30 мг), необхідного для аналізу на велику кількість елементів.

Атомарні спектри (поглинання або випромінювання) одержують переведенням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1000-10000 °C. Як джерела збудження атомів при емісійному аналізі струмопровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу поміщають у кратер одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я чи плазму різних газів.

Застосування

Останнім часом найбільшого поширення набули емісійні та мас-спектрометричні методи спектрального аналізу, засновані на збудженні атомів та їх іонізації в аргоновій плазмі індукційних розрядів, а також у лазерній іскрі.

Спектральний аналіз - чутливий метод і широко застосовується в аналітичній хімії, астрофізиці, металургії, машинобудуванні, геологічній розвідці та інших галузях науки.

В теорії обробки сигналів спектральний аналіз також означає аналіз розподілу енергії сигналу (наприклад, звукового) за частотами, хвильовими числами і т.п.

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Балти
• Північна Хань

Дивитись що таке "Спектральний аналіз" в інших словниках:

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- Фізич. методи якостей. .і кількостей. визначення складу у ва, засновані на отриманні та дослідженні його спектрів. Основа С. а. спектроскопія атомів і молекул, його класифікують за цілями аналізу та типами спектрів. Атомний С. а. (АСА) визначає… … Фізична енциклопедія

Спектральний аналіз- Вимірювання складу речовини, засноване на дослідженні його спектрів. Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

Спектральний аналіз- Див. Спектроскопія. Геологічний словник: у 2-х томах. М.: Надра. За редакцією К. Н. Паффенгольця та ін. 1978. Спектральний аналіз … Геологічна енциклопедія

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- Введене Бунзеном і Кірхгофом у 1860 році хімічне дослідження речовини за допомогою властивих цьому останньому кольорових ліній, які помічаються, якщо дивитися на нього (під час випаровування) через призму. Пояснення 25000 іноземних слів. Словник іноземних слів російської мови

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ, один з методів аналізу, в якому використовуються спектри (див. Спектроскопія, спектроскоп), що даються тим» або іншими тілами при їх розжарюванні! або при пропущенні через розчини променів, що дають суцільний спектр. Для… … Велика медична енциклопедія

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- фізичний метод якісного та кількісного визначення складу речовини, що проводиться за його оптичними спектрами. Розрізняють атомний та молекулярний спектральний аналіз, емісійний (за спектрами випромінювання) та абсорбційний (за спектрами… Великий Енциклопедичний словник

Спектральний аналіз- математико-статистичний метод аналізу часових рядів, при якому ряд розглядається як складна сукупність, суміш гармонійних коливань, що накладаються один на одного. При цьому основна увага приділяється частоті. Економіко-математичний словник

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- Фіз. методи якісного та кількісного визначення хім. складу будь-яких речовин на основі отримання та дослідження їх оптичного спектру. Залежно від характеру використовуваних спектрів розрізняють такі види: випромінювання (емісійний С … Велика політехнічна енциклопедія

Спектральний аналіз- I Спектральний аналіз фізичного методу якісного та кількісного визначення атомного та молекулярного складу речовини, заснований на дослідженні його спектрів. Фізична основа С. а. Спектроскопія атомів та молекул, його… Велика Радянська Енциклопедія

Спектральний аналіз- Зміст статті. I. Світіння тел. Спектр променевипускання. Сонячний спектр. Фраунгоферові лінії. Призматичний та дифракційний спектри. Розсіювання кольорів призми і решітки. ІІ. Спектроскопи. Колінчастий і прямий спектроскоп à vision directe. Енциклопедичний словник Ф.А. Брокгауза та І.А. Єфрона

Вступ ………………………………………………………………………………….2

Механізм випромінювання……………………………………………………………………..3

Розподіл енергії в спектрі……………………………………………………….4

Види спектрів…………………………………………………………………………….6

Види спектральних аналізів……………………………………………………………7

Заключение………………………………………………………………………………..9

Література……………………………………………………………………………….11

Вступ

Спектр – це розкладання світла на складові, промені різних кольорів.

Метод дослідження хімічного складу різних речовин за їх лінійними спектрами випромінювання або поглинання називають спектральний аналіз.Для спектрального аналізу потрібна незначна кількість речовини. Швидкість і чутливість зробили цей метод незамінним як і лабораторіях, і у астрофізиці. Оскільки кожен хімічний елемент таблиці Менделєєва випромінює характерний лише нього лінійний спектр випромінювання і поглинання, це дає можливість досліджувати хімічний склад речовини. Вперше його спробували зробити фізики Кірхгоф і Бунзен у 1859 році. Спектроскоп.Світло пропускалося в нього через вузьку щілину, прорізану з одного краю підзорної труби (ця труба із щілиною називається коліматор). З коліматора промені падали на призму, накриту ящиком, обклеєним зсередини чорним папером. Призма відхиляла убік промені, що йшли із щілини. Виходив спектр. Після цього завісили вікно шторою і поставили біля щілини коліматора запалений пальник. У полум'я свічки вводили по черзі шматочки різних речовин, і дивилися через другу підзорну трубу на спектр, що виходить. Виявлялося, що розпечені пари кожного елемента давали промені строго певного кольору, і призма відхиляла ці промені на строго певне місце, і жоден колір тому міг замаскувати інший. Це дозволило зробити висновок, що радикально знайдено новий спосіб хімічного аналізу – за спектром речовини. У 1861 Кірхгоф довів на основі цього відкриття присутність у хромосфері Сонця ряду елементів, започаткувавши астрофізику.

Механізм випромінювання

Джерело світла має споживати енергію. Світло - це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі 4*10 -7 - 8*10 -7 м. Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частки входять до складу атомів. Але, не знаючи, як улаштований атом, нічого достовірного про механізм випромінювання сказати не можна. Зрозуміло, що всередині атома немає світла так само, як у струні рояля немає звуку. Подібно до струни, що починає звучати лише після удару молоточка, атоми народжують світло тільки після їх збудження.

Для того, щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію, і для безперервного світіння речовини необхідний приплив енергії до атомів ззовні.

Теплове випромінювання.Найпростіший і найпоширеніший вид випромінювання - теплове випромінювання, у якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються з допомогою енергії теплового руху атомів чи (молекул) випромінюючого тіла. Що температура тіла, то швидше рухаються атоми. При зіткненні швидких атомів (молекул) одна з одною частина їх кінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.

Тепловим джерелом випромінювання є Сонце, і навіть звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручне, але малоекономічне джерело. Лише приблизно 12% усієї енергії, що виділяється в лампі електричним струмом, перетворюється на енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум'я. Крупинки сажі розжарюються за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива, і випромінюють світло.

Електролюмінесценція.Енергія, необхідна атомам випромінювання світла, може запозичуватися і з нетеплових джерел. При розряді у газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони відчувають зіткнення з атомами. Частина кінетичної енергії електронів йде на збудження атомів. Порушені атоми віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Завдяки цьому розряд у газі супроводжується світінням. Це і є електролюмінесценція.

Катодолюмінесценція.Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінісенцією. Завдяки катодолюмінесценції світяться екрани електронно-променевих трубок телевізорів.

Хемілюмінесценція.При деяких хімічних реакціях, що з виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це явище називається хеміолюмінесценкіей.

Фотолюмінесценція.Падаючий на речовину світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія світла, що поглинається, в більшості випадків викликає лише нагрівання тіл. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією випромінювання, що падає на нього. Це і є фотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини (збільшує їхню внутрішню енергію), після чого вони висвічуються самі. Наприклад, фарби, що світяться, якими покривають багато ялинкових іграшок, випромінюють світло після їх опромінення.

Випромінюваний при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, що збуджує свічення. Це можна спостерігати експериментально. Якщо направити на посудину з флюоресцеїтом (органічний барвник) світловий пучок,

пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починає світитися зелено - жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі, ніж у фіолетового світла.

Явище фотолюмінесценції широко використовується у лампах денного світла. Радянський фізик С. І. Вавілов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під дією короткохвильового випромінювання газового розряду. Лампи денного світла приблизно в три-чотири рази економічніші за звичайні лампи розжарювання.

Перераховані основні види випромінювань та джерела, що їх створюють. Найпоширеніші джерела випромінювання – теплові.

Розподіл енергії у спектрі

На екрані за заломлюючою призмою монохроматичні кольори в спектрі розташовуються в наступному порядку: червоний (що має найбільшу серед хвиль видимого світла довжину хвилі (к=7,6(10-7 м і найменший показник заломлення)), помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий (має найменшу у видимому спектрі довжину хвилі (ф=4(10-7 м і найбільший показник заломлення). Жоден з джерел не дає монохроматичного світла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконують досліди розкладання світла в спектр за допомогою призми, а також досліди з інтерференції та дифракції.

Та енергія, яку несе із собою світло від джерела, певним чином розподілена хвилями всіх довжин, що входять до складу світлового пучка. Можна також сказати, що енергія розподілена за частотами, оскільки між довжиною хвилі і частотою існує простий зв'язок: v = c.

Щільність потоку електромагнітного випромінювання, або інтенсивність /, визначається енергією W, що припадає на всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами необхідно запровадити нову величину: інтенсивність, що припадає одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною густиною інтенсивності випромінювання.

Спектральну густину потоку випромінювання можна знайти експериментально. Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали шириною Av.

Покладатися на око в оцінці розподілу енергії не можна. Око має вибіркову чутливість до світла: максимум його чутливості лежить у жовто-зеленій області спектру. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіх довжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагрівання тіла. Тому достатньо виміряти температуру тіла і по ній судити про кількість поглиненої в одиницю часу енергії.

Звичайний термометр має занадто малу чутливість для того, щоб його можна було успішно використовувати в таких дослідах. Потрібні чутливіші прилади для вимірювання температури. Можна взяти електричний термометр, у якому чутливий елемент виконаний у вигляді тонкої металевої пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаром сажі, що майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі.

Чутливу до нагрівання пластину приладу слід помістити в місце спектру. Усьому видимому спектру довжиною l від червоних променів до фіолетових відповідає інтервал частот від v кр до ф. Ширині відповідає мінімальний інтервал Av. По нагріванню чорної пластини приладу можна будувати висновки про щільності потоку випромінювання, що припадає інтервал частот Av. Переміщаючи пластину вздовж спектру, ми виявимо, що більшість енергії припадає на червону частину спектру, а не на жовто-зелену, як здається на око.

За наслідками цих дослідів можна побудувати криву залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання визначається за температурою пластини, а частоту неважко знайти, якщо прилад, що використовується для розкладання світла, проградуйований, тобто якщо відомо, якій частоті відповідає дана ділянка спектру.

Відкладаючи по осі абсцис значення частот, відповідних середин інтервалів Av, а по осі ординат спектральну щільність інтенсивності випромінювання, ми отримаємо ряд точок, через які можна провести плавну криву. Ця крива дає наочне уявлення про розподіл енергії та видиму частину спектра електричної дуги.

Одним із основних методів аналізу хімічного складу речовини є спектральний аналіз. Аналіз його складу проводиться, виходячи з вивчення його спектра. Спектральний аналіз – використовується у різних дослідженнях. З його допомогою відкрито комплекс хімічних елементів: Не, Ga, Cs. в атмосфері Сонця. А також Rb, Inі XI, визначено склад Сонця та більшості інших небесних тіл.

Галузі застосування

Спектральна експертиза, поширена в:

1. Металургії;
2. Геології;
3. хімії;
4. Мінералогії;
5. Астрофізики;
6. Біології;
7. медицині та ін.

Дозволяє знаходити в об'єктах, що вивчаються, найменші кількості встановлюваної речовини (до 10 - MS) Спектральний аналіз ділиться на якісний і кількісний.

Методи

Спосіб встановлення хімічного складу речовини на основі спектра - це і є основа спектрального аналізу. Лінійчасті спектри мають неповторну індивідуальність, так само як і відбитки пальців у людей, або візерунок сніжинок. Неповторність малюнків на шкірі пальця – це велика перевага для розшуку злочинця. Тому завдяки особливості кожного спектра є можливість встановити хімічний вміст тіла, провівши аналіз хімічного складу речовини. Навіть якщо його маса елемента вбирається у 10 — 10 р, з допомогою спектрального аналізу його можна знайти у складі складного речовини. Це досить чутливий метод.

Емісійний спектральний аналіз

Емісійний спектральний аналіз - це ряд методів встановлення хімічного складу речовини за його емісійним спектром. В основу способу встановлення хімічного складу речовини – спектральної експертизи, покладено закономірності у спектрах випромінювання та спектрах поглинання. Цей метод дозволяє виявити мільйонні частки міліграма речовини.

Існують методи якісної та кількісної експертизи, відповідно до встановлення аналітичної хімії як предмета, метою якої є формування способів встановлення хімічного складу речовини. Методи ідентифікації речовини стають вкрай важливими в межах якісного органічного аналізу.

По лінійному діапазону парів будь-якої з речовин можна встановити, які хімічні елементи містяться у його складі, т.к. будь-який хімічний елемент має власний специфічний діапазон випромінювання. Подібний спосіб встановлення хімічного складу речовини називається якісним спектральним аналізом.

Рентгеноспектральний аналіз

Існує ще один метод визначення хімічної речовини, що називається рентгеноспектральним аналізом. Рентгеноспектральний аналіз заснований на активації атомів речовини при опроміненні рентгенівськими променями, процес називається вторинним або флуоресцентним. А також можлива активація при опроміненні електронами високих енергій, в цьому випадку процес називають прямим збудженням. В результаті переміщення електронів у глибших внутрішніх електронних шарах з'являються лінії рентгенівського випромінювання.

Формула Вульфа - Бреггов дозволяє встановлювати довжини хвиль, у складі рентгенівського випромінювання, при застосуванні кристала популярної структури з відомою відстанню d. Це і є підставою методу визначення. Речовину, що вивчається, бомбардують стрімкими електронами. Поміщають його, наприклад, на анод розбірної рентгенівської трубки, після чого воно випромінює характерні рентгенівські промені, які падають на кристал відомої структури. Вимірюють кути і розраховують за формулою відповідні довжини хвиль, після фотографування дифракційної картині, що виникає при цьому.

Прийоми

В даний час всі методи хімічного аналізу ґрунтуються на двох прийомах. Або на: фізичному прийомі, або на хімічному прийомі порівняння встановлюваної концентрації з її одиницею виміру:

Фізичний

Фізичний прийом заснований на способі співвіднесення з еталоном одиниці величини кількості компонента шляхом вимірювання його фізичної властивості, який залежить від вмісту в пробі речовини. Пробно визначають функціональну залежність «Насиченість властивості – вміст компонента в пробі» способом градуювання засобу вимірювання даної фізичної властивості за компонентом, що встановлюється. З градуювального графіка отримують кількісні відносини, побудованого в координатах: «насиченість фізичної властивості — концентрація компонента, що встановлюється».

Хімічний

Хімічний прийом використовують у способі співвіднесення з еталоном одиниці величини кількості компонента. Тут застосовуються закони збереження кількості або маси компонента при хімічних взаємодіях. На хімічних властивостях хімічних сполук засновані хімічні взаємодії. У пробі речовини здійснюють хімічну реакцію, що відповідає поставленим вимогам, для визначення компонента, що шукається, і проводиться вимір об'єму або маси, що беруть участь у конкретній хімічній реакції компонентів. Отримують кількісні відносини, далі записується кількість еквівалентів компонента для даної хімічної реакції або закон збереження маси.

Прилади

Приладами для аналізу фізико-хімічного складу речовини є:

1. Газоаналізатори;
2. Сигналізатори гранично допустимих і вибухонебезпечних концентрацій парів і газів;
3. Концентратори рідких розчинів;
4. Щільноміри;
5. Солеміри;
6. Вологоміри та ін. схожі за призначенням та комплектністю прилади.

Згодом дедалі більше зростає коло аналізованих об'єктів і підвищується швидкість і правильність аналізу. Одним з найголовніших методів приладу встановлення атомного хімічного складу речовини стає спектральний аналіз.

З кожним роком дедалі більше з'являються комплекси приладів для кількісного спектрального аналізу. А також випускають найбільш удосконалені види апаратури та способи реєстрації спектра. Організуються спектральні лабораторії спочатку у машинобудівній, металургійній, та був та інших галузях промисловості. Згодом зростає швидкість і вірність аналізу. До того ж розширюється сфера аналізованих об'єктів. Одним з основних методів приладів встановлення атомного хімічного складу речовини стає спектральний аналіз.

Спектральний аналіз – метод визначення хімічного складу речовини за його спектром. Цей метод розроблено 1859 р. німецькими вченими Г.Р. Кірхгофом та Р.В. Бунзеном.

Але перш ніж розглядати це досить складне питання, спочатку поговоримо про те, що таке спектр.
Спектр(Лат. spectrum «видіння») у фізиці - розподіл значень фізичної величини (зазвичай енергії, частоти або маси). Зазвичай під спектром мається на увазі електромагнітний спектр - спектр частот (або те саме, що енергій квантів) електромагнітного випромінювання.

У науковий ужиток термін спектр ввів Ньютону 1671-1672 роках для позначення багатобарвної смуги, схожої на веселку, яка виходить під час проходження сонячного променя через трикутну скляну призму. У своїй праці «Оптика» (1704) він опублікував результати своїх дослідів розкладання за допомогою призми білого світла на окремі компоненти різної кольоровості та заломлюваності, тобто отримав спектри сонячного випромінювання і пояснив їх природу. Він показав, що колір є власністю світла, а не вносяться призмою, як стверджував Бекон у XIII столітті. Фактично Ньютон заклав основи оптичної спектроскопії: в «Оптиці» він описав усі три методи розкладання світла, що використовуються досі. заломлення, інтерференцію(перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладання декількох світлових хвиль) та дифракцію(огинання перешкоди хвилями).
А тепер повернемося до розмови про те, що таке спектральний аналіз.

Це метод, який дає цінні та різноманітні відомості про небесні світила. Як це робиться? Аналізується світло, та якщо з аналізу світла можна зробити якісний і кількісний хімічний склад світила, його температуру, наявність і напруженість магнітного поля, швидкість руху з променю зору тощо.
В основі спектрального аналізу лежить поняття про те, що складне світло при переході з одного середовища до іншого (наприклад, з повітря в скло) розкладається на складові. Якщо пучок цього світла пустити на бічну грань тригранної призми, то, переломлюючись у склі по-різному, промені, що складають біле світло, дадуть на екрані райдужну смужку, звану спектром. У спектрі всі кольори завжди розташовані в певному порядку. Якщо ви забули цей порядок, подивіться на малюнок.

Призма як спектральний прилад

У телескопах для отримання спектра використовують спеціальні прилади – спектрографиза фокусом об'єктива телескопа. У минулому всі спектрографи були призмінними, але тепер замість призми у них використовують дифракційні грати, яка також розкладає біле світло у спектр, його називають дифракційним спектром.
Усім відомо, що світло поширюється як електромагнітних хвиль. Кожному кольору відповідає певна довжина електромагнітної хвилі. Довжина хвилі в спектрі зменшується від червоних променів до фіолетових приблизно від 700 до 400 мм. За фіолетовими променями спектра лежать ультрафіолетові промені, які не видно оком, але діють на фотопластинку.

Ще більш коротку довжину хвилі мають рентгенівські промені, що застосовуються у медицині. Рентгенівське випромінювання небесних світил атмосфера Землі затримує. Тільки недавно воно стало доступним для вивчення за допомогою запусків висотних ракет, що піднімаються вище основного шару атмосфери. Спостереження в рентгенівських променях виробляють автоматичні прилади, встановлені на космічних міжпланетних станціях.

За червоними променями спектра лежать інфрачервоні промені. Вони невидимі, але вони діють на спеціальні фотопластинки. Під спектральними спостереженнями зазвичай розуміють спостереження в інтервалі від інфрачервоних до ультрафіолетових променів.

Для вивчення спектрів застосовують прилади, які називаються спектроскопом та спектрографом. У спектроскоп спектр розглядають, спектрографі його фотографують. Фотографія спектра називається спектрограмою.

Види спектрів

Спектр у вигляді райдужної оболонки (суцільний, або безперервний)дають тверді розпечені тіла (розпечене вугілля, нитка електролампи) і величезні маси газу, що знаходяться під великим тиском. Лінійчастий спектрвипромінювання дають розріджені гази та пари при сильному нагріванні або під дією електричного розряду. Кожен газ має свій випромінюваний набір яскравих ліній певних кольорів. Їх колір відповідає певним довжинам хвиль. Вони завжди в одних і тих місцях спектра. Зміни стану газу або умов його світіння, наприклад, нагрівання або іонізація, викликають певні зміни спектра даного газу.

Вченими складено таблиці з переліком ліній кожного газу та із зазначенням яскравості кожної лінії. Наприклад, у спектрі натрію особливо яскраві дві жовті лінії. Встановлено, що спектр атома чи молекули пов'язані з їх будовою і відбиває певні зміни, які у них процесі свечения.

Лінійчастий спектр поглинання дають гази і пари, коли за ними знаходиться яскраве і гаряче джерело, що дає безперервний спектр. Спектр поглинанняскладається з безперервного спектру, перерізаного темними лініями, які знаходяться в тих місцях, де повинні бути розташовані яскраві лінії, властиві даному газу. Наприклад, дві темні лінії поглинання натрію розташовані у жовтій частині спектра.

Таким чином, спектральний аналіз дозволяє встановити хімічний склад парів, що випромінюють світло або поглинають його; визначити, чи перебувають вони у лабораторії чи на небесному світилі. Кількість атомів або молекул, що лежать на нашому промені зору, що випромінюють або поглинають, визначається інтенсивністю ліній. Чим більше атомів, тим яскравіша лінія або тим вона темніша в спектрі поглинання. Сонце та зірки оточені газовими атмосферами. Безперервний спектр видимої поверхні перерізаний темними лініями поглинання, що виникають при проходженні світла через атмосферу зірок. Тому Спектри Сонця і зірок - це діапазони поглинання.

Але спектральний аналіз дозволяє визначати хімічний склад тільки газів, що самосвітяться або поглинають випромінювання. Хімічний склад твердого або рідкого тіла за допомогою спектрального аналізу не можна визначити.

Коли тіло розпечене до червона, у його суцільному спектрі найяскравіше червона частина. При подальшому нагріванні найбільша яскравість у спектрі перетворюється на жовту, потім у зелену частину тощо. буд. Теорія випромінювання світла, перевірена досвіді, показує, що розподіл яскравості вздовж суцільного спектра залежить від температури тіла. Знаючи цю залежність, можна встановити температуру Сонця та зірок. Температуру планет та температуру зірок визначають ще за допомогою термоелемента, вміщеного у фокусі телескопа. При нагріванні термоелемента в ньому виникає електричний струм, що характеризує кількість теплоти, що надходить від світила.