Лекция
(*картинки — в скачиваемом файле)
Природа и свойства света.
Природа света: свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. В одних явлениях наиболее ярко проявляются корпускулярные свойства света (фотоэффект), в других волновые – (диффракция, интерференция).
Корпускулярные свойства – это способность света отражаться от поверхности падения луча и преломляться, проходя через поверхность раздела двух сред. Наиболее ярко проявляются корпускулярные свойства света в явлении фотоэффекта. Фотоэффектом называется явление, состоящее в том, что поверхность металла, освещаемая лучистой энергией, испускает электроны.
Чем больше длина волны света, тем более он проявляет волновые свойства и менее корпускулярные.
Волновые свойства света.
Волна – колебательное движение, возникающее в каком-нибудь месте пространства. Простейшим видом волны является синусоидальная волна. В случае электромагнитной волны – это смена напряжённости электромагнитного поля, которая характеризуется фазами максимума и минимума.
Длина волны – это расстояние между точками с одинаковыми фазами, обозначается буквой λ (лямбда).
Период колебаний – время в течение, которого волна перемещается на расстоянии λ (длины волны), обозначается Т.
Частота – число колебаний в секунду, обозначается буквой ν.
Волновые свойства света наиболее ярко проявляются в явлениях интерференции и дифракции. Все явления, в которых наблюдается отклонение от закона прямолинейного распространения света, т.е. проникновение света в область тени, получили название дифракции света.
Интерференция света – явление, в процессе которого, при наложении двух и более лучей с одинаковой длиной волны встретившихся в какой-либо точке пространства, происходит усиление светового сигнала
Если свет одной длины волны пропустить не через круглое отверстие, а через узкую щель, на экране вместо колец наблюдаются освещённые полосы, разделённые тёмными промежутками. Если же освещать экран светом сложного состава, то вместо светлых колец одного цвета, разделённых темными промежутками, будет наблюдаться чередование колец или полос разного цвета, т.к. положение максимумов освещённости для лучей разного цвета (разной длины волны) не совпадают.
Следовательно, при дифракции света происходит разложение сложного света, т.е. имеет место дисперсия света.
Атомно – эмиссионный анализ на спектрометрах выполняется в диапазоне света от 200 до 400нм (ультрафиолет).
Процессы, происходящие в нейтральном атоме при его возбуждении.
Излучение и поглощение света атомами происходит в результате их перехода и одного энергетического состояние в другое. Энергетические состояние атомов определяются энергией валентного электрона с атомным остовом и характеризуются набором квантовых чисел. Валентным электроном является электрон, находящийся на внешней оболочке атома у которого сила притяжения к ядру слабее, чем у электронов, которые находятся на внутренней оболочке атома. При воздействии на атом определённой энергии валентный электрон с внешней орбиты атома меняет свою орбиту, на более удаленную. При возвращении этих электронов на свои исходные орбиты известное количество энергии преобразуется в световое излучение определённой длины волны. Это явление происходит на атомном уровне.
Проба, в составе которой несколько различных элементов, создаёт световое излучение на длинах волн, специфических для каждого из её элементов. Разделив длины волн с помощью диспергирующей системы, можно определить элементы, составляющие пробу, а по интенсивности излучения на каждой длине волны можно определить концентрацию этих элементов.
Распределение электронов по оболочкам внутри атома может меняться под влиянием внешнего воздействия, при этом будет меняться и энергия атома.
При отсутствии внешнего воздействия, энергия атома минимальна. Под влиянием внешнего воздействия атом получает дополнительную энергию, в результате чего один или несколько электронов могут перейти на более отдалённую от ядра оболочку, такое состояние атома называют возбуждённым. Атом не может поглощать любое количество энергии, это значит, что электронные оболочки располагаются в атоме только на вполне определённых расстояниях от ядра.
Возбуждённое состояние атома не устойчиво и атом после этого возвращается в нормальное состояние, высвобождая при этом квант света. Поскольку энергия атома может принимать лишь определённое значение, то и излучать свет атом может лишь определённой длины волны.
Принцип работы дифракционной решётки
Дифракционная решётка представляет собой стеклянную пластину, поверхность которой отполирована и покрыта отражающей плёнкой металла с нанесёнными не ней параллельно друг другу штрихами. Нанесение (нарезка) штрихов на зеркальной поверхности производится на специальном высокоточном станке, носящем название машины Роуланда.
Для получения ультрафиолетовых спектров применяют решётки с 3600, 1800 и 1200 штрихов на миллиметр
Для видимой части спектра 600 и 1200 штрихов на миллиметр
Для инфракрасной области спектра — 300 и 100 штрихов на миллиметр.
Наряду с плоскими дифракционными решётками в спектральных приборах достаточно часто применяются вогнутые дифракционные решётки, которые совмещают функции диспергирующего элемента и фокусирующих элементов — коллиматорного и камерного объективов.
Разность фаз возникает вследствие того, что лучи одного направления проходят до места встречи разные расстояния, называемые разностью хода.
Если разность хода двух лучей равна чётному числу полуволн (целому числу длин волн), фазы одинаковые и результатом интерференции будет усиление интенсивности света.
Условие максимума при интерференции:
Δ = 2k*λ/2 = k*λ
В одной точке усиленными оказываются только те длины волн, для которых разность хода удовлетворяет условию максимума.
Лучи отражённые под другим углом, собираются в другой точке и интерферируют лучи с уже другой длиной волны, для которых удовлетворяется условие максимума.
Чем больше угол отражения, тем больше разность хода и тем большая длина волны, удовлетворяя условию максимума усиливается. Именно поэтому происходит разложение света по длинам волн в дифракционной решётке.
Преимущества при использовании дифракционных решёток.
- Практически во всей оптической области спектра угловая дисперсия решётки больше.
- В пределах одного порядка угловая дисперсия не зависит от длины волны.
Зависимость интенсивности спектральных линий от температуры газа.
С повышением температуры создаётся более благоприятные условия для возбуждения атомов. По мере увеличения температуры будет увеличиваться также и число ионизированных атомов. Поэтому хотя увеличение температуры улучшает условия возбуждения, интенсивность линии спектра нейтрального атома может и не возрастать.
Кривая зависимости интенсивности резонансных линий спектра нейтрального и ионизированного атома от температуры показывает, что по мере увеличения температуры интенсивность спектральной линии сначала растёт, а потом убывает.
То же самое наблюдается и у линий спектра ионов, т.к. с увеличением температуры возрастает число ионов более высокой степени ионизации.
Для каждой спектральной линии существует температура Тмакс, при которой её интенсивность максимальна.
Таким образом одно только повышение температуры источника света не всегда приводит к повышению интенсивности спектральной линии.
При изменении температуры разряда меняется соотношение концентрации ионов и нейтральных атомов, и, следовательно, соотношение интенсивностей их линий, т.е. меняется характер спектра.
В спектрах искры интенсивность линий ионов возрастает по сравнению интенсивностью линий нейтральных атомов.
В связи с тем, что в искре концентрация ионов больше, чем в дуге, и их спектр соответственно интенсивнее, спектральные линии, излучаемые ионами, принято называть искровыми, а линии, излучаемые нейтральными атомами – дуговыми. Следует однако, подчеркнуть, что в спектрах дуги и искры присутствуют и дуговые, и искровые линии.
Светосила спектрального прибора.
Светосила спектрального аппарата показывает связь между освещённостью щели и освещённостью спектральной линии.
Весь свет, прошедший объектив, за исключением потерянного на отражение и поглощение в оптических деталях, участвует в построении изображения.
Во многих случаях практический интерес представляет собой не общая величина светового потока, а освещённость спектральной линии, т.е. световой поток, проходящий на единицу её площади.
Светосила спектрального прибора в значительной степени определяется геометрическими размерами его элементов, а в случае вогнутой дифракционной решётки — ещё и радиусом кривизны её поверхности.
Реализация в полной мере характеристик спектрального прибора, т.е. дисперсии, разрешающей силы и светосилы, возможна лишь при правильном освещении его входной щели, как правило, с помощью внешних линз или зеркал.
Принцип работы электрической схемы низковольтной искры.
Рабочая часть схемы представляет собой колебательный контур, питающийся непосредственно
от сети переменного тока напряжением 220В. Необходимая для разряда энергия и мощность
достигаются включением в колебательный контур конденсатора большой ёмкости
С – 10-100 мкФ.
Но напряжение на обкладках этого конденсатора, следуя за напряжением сети, не поднима-
ется выше 220В и поэтому не достигает напряжения пробоя аналитического промежутка.
Напряжение пробоя – это такое напряжение, при котором происходит пробой газа.
Вспомогательная часть схемы – активизатор, периодически создаёт на электродах высо-
кое напряжение, необходимое для пробоя аналитического промежутка. Активизатор состоит из высоковольтного трансформатора Т1 небольшой мощности (25-30 вт) для повышения напряжения (3000в), реостата R2 для регулировки тока в первичной цепи трансформатора и колебательного контура, состоящего и конденсатора С2, катушки самоиндукции L2 и разрядного промежутка d2.
Обе части схемы питаются от сети переменного тока, поэтому напряжение одновременно растёт на конденсаторах С1 и С2 и в газовых промежутках d1 и d2. Но в схему активизатора включён повышающий трансформатор Т1 малой мощности, поэтому в каждый момент времени напряжение в цепи активизатора (С1, d2) значительно выше, чем в цепи основной части схемы (C1, d1).
С ростом напряжения на конденсаторе основного контура, накапливается энергия, необходимая для разряда. Как только напряжение на конденсаторе активизатора С2 достигнет напряжение пробоя, в контуре активизатора возникает ток высокой частоты и высокого напряжения, но малой мощности.
Посредством повышающего трансформатора Т2 ток высокого напряжения передаётся в основной контур. Сразу же происходит пробой аналитического промежутка d2, вслед за которым начинается зарядка конденсатора С1. После пробоя аналитического промежутка основного контура d2 ток резко возрастает, достигая амплитудного значения, а затем падает до нуля и искра гаснет.
Возобновляется разряд только после нового пробоя аналитического промежутка активизатора. Пробой происходит в каждый полупериод сетевого напряжения, поэтому полярность электродов периодически меняется.
Благодаря существенному увеличению ёмкости в основном контуре низковольтной искры по сравнению с высоковольтной при одном и том же значении, накопленной к моменту пробоя энергии, продолжительность импульса тока в ней значительно выше. Увеличение продолжительности импульса тока способствует более сильному разогреву электродов и благоприятствует испарению материала электродов. Поэтому общая интенсивность спектров низковольтной искры более высокая и пределы обнаружения оказываются сниженными. Однако благодаря увеличению продолжительности импульса тока средняя мощность и средняя плотность тока низковольтной искры во много раз ниже, чем высоковольтной, но в самые первые моменты каждого импульса плотность тока, а следовательно и температура плазмы весьма высоки. Возбуждаются в низковольтной искре все металлы и такие неметаллы как P, S, C, N. В спектре низковольтной искры наблюдаются как линии атомов, так и линии ионов.
Для получения более жёсткого разряда нужно уменьшить число витков катушки, но это приводит к ухудшению условий пробоя.
С увеличением ёмкости повышается как сила тока, так и длительность разряда, что приводит к более сильному разогреванию электродов. Общая интенсивность спектров при этом увеличивается.
Сопротивление влияет на скорость зарядки конденсатора и ограничивает ток, поступающий в промежуток непосредственно от сети.
Схема дуги переменного тока. Принцип работы.
Дуговой разряд питается переменным напряжением (220В с частотой 50Гц). Применение переменного тока приводит к тому, что во время изменения полярности питающего напряжения (а это происходит через каждые 0,1с) дуга гаснет. Напряжение 220В достигаемого в максимуме переменного напряжения, недостаточно для электрического пробоя межэлектродного промежутка. Таким образом дуговой разряд на переменном токе не может самостоятельно поддерживаться при изменении полярности электрического питания.
Для поддержания дугового разряда переменного тока используют активизатор, с помощью которого происходит ионизация газа в межэлектродном промежутке в определённый момент времени при изменении полярности питающего напряжения. В качестве активизатора в схему электрического питания вводят дополнительный контур, который в начале каждого полупериода подаёт на электрода ток высокой частоты, который обеспечивает пробой межэлектродного промежутка.
При увеличении напряжения подаваемого на контур ч/з сопротивление , происходит зарядка конденсатора основного контура. В это же время происходит и зарядка конденсатора активизатора, через повышающий трансформатор Тр до более высокой разности потенциалов, чем на конденсаторе С. В тот момент когда, напряжение на обкладках конденсатора Са достигнт величины, достаточной для пробоя разрядного промежутка активизатора dа, конденсатор Са начинает разряжаться. Элементы этого контура выбраны таким образом, чтобы при разрядке конденсатора в контуре возникали высокочастотные колебания достаточно большой амплитуды. Эти колебания электрического тока передаются в контур дуги через индуктивную связь Lа – L, в результате чего в основном контуре индуцируются высокочастотные колебания, которые и производят пробой дугового промежутка.
После пробоя происходит разрядка конденсатора по основному контуру. Во время разрядки конденсатора и происходит дуговой разряд в рабочем аналитическом промежутке. По мере разрядки конденсатора уменьшается напряжение питания к концу полупериода переменного тока падение напряжения на рабочем аналитическом промежутке уменьшается до критической величины при которой дуговой разряд гаснет. Затем происходит изменение полярности питающего напряжения и процесс повторяется с той лишь разницей, что электроды дуги также меняют свою полярность. Чтобы не происходило обгорания электродов активиатора, они изготавливаются в виде массивных дисков или шаров из вольфрама.
Для получения дуги переменного тока никого напряжения используется схема аналогичная схеме питания низковольтной искры. Схема дуги переменного тока отличается от низковольтной искры значениями параметров, чем и обусловлено различие в характере разрядов.
В основном схемы различаются величиной ёмкости С, подключаемой параллельно аналитическому промежутку. Эта ёмкость в схеме дуги не велика и не превышает 2мкф.
Поэтому разрядный ток конденсатора невелик по сравнению с током, поступающим и сети, и при рассмотрении электрических процессов в дуге переменного тока его можно не учитывать.
Конденсатор, представляющий для высокочастотного тока небольшое сопротивление, вводится в схему дуги переменного тока только для того, чтобы не пропустить высокочастотный ток в сеть (изоляция сети не рассчитана на высокое напряжение).
Стабильность возбуждения спектра в этом источнике света, а следовательно и воспроизводимость результатов анализа лучше, чем в дуге постоянного тока.
По характеру разряда и излучаемому спектру дуга переменного тока занимает промежуточное положение между дугой постоянного тока и электрической искрой. Температура плазмы в дуге переменного тока несколько выше, чем в дуге постоянного тока, поэтому излучение содержит спектральные линии не только атомов, но и ионов анализируемых элементов.
Отличие дугового разряда от разряда низковольтной искры.
Электрическая схема для питания дуги переменного тока отличается от эл. схемы низковольтной искры значениями параметров, чем и обусловлено различие в характере разрядов. В основном схемы различаются величиной ёмкости С, подключаемой параллельно аналитическому промежутку. Эта ёмкость в генераторе дуги невелика и не превышает 2 мкф. Поэтому разрядный ток конденсатора С не велик по сравнению с током, поступающим из сети, и при рассмотрении электрических процессов в дуге переменного тока его можно не учитывать.
В дуге разряд воздействует на электроды значительно продолжительное время, так горение дуги переменного тока прерывается лишь небольшими паузами вблизи моментов прохождения напряжения через нуль. Поэтому количество энергии, выделяемой на электродах дуги, значительно больше, чем в искре. Это приводит к более сильному разогреву электродов. По этой причине при дуговом разряде большее количество вещества превращается в пар и электроды разрушаются сильнее. Этим же объясняется высокая чувствительность, для большинства элементов (кроме трудновозбудимых), а так же возможность обходится меньшим временем экспозиции.
Температура пара в дуговом промежутке достаточно высока 5000-70000С для возбуждения спектра большинства элементов, исключением являются элементы с высоким потенциалом возбуждения: углерод, сера и газы.
Ток в низковольтной искре представляет собой последовательность кратковременных импульсов тока, разделённых длительными паузами, что и придаёт разряду искровой характер (т.к. создаёт большие плотности тока). Основное преимущество низковольтной искры в высокой чувствительности определений трудновозбудимых элементов. Это объясняется сочетанием высокой температуры разряда с интенсивным поступлением материала электродов в разряд. Интенсивное поступление материала пробы в низковольтной искре объясняется большей длительностью импульса. Фотоумножитель.
В эвакуированной трубке помещено несколько электродов, поверхность которых покрыта церием. Между каждой парой электродов, называемых динодами приложена разность потенциалов, причём потенциал каждого последующего электрода выше предыдущего.
С поверхности первого катода под действием светового потока, падающего на него, испускаются электроны, которые падают на второй катод и выбивают с его поверхности вторичные электроны; при этом каждый первичный электрон, попадая на второй электрод выбивает из него несколько вторичных электронов. В результате этого от второго электрода к третьему будет направлен более интенсивный поток электронов, который выбьет из третьего электрода ещё больше электронов и т.д. Каждая пара электродов называется каскадом усилителя. Коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя зависит, таким образом, от числа каскадов усилителя.
Фотоэлектронные умножители позволяют получить токи в 105 раз больше, чем фотоэлементы. Однако большие токи разрушают катоды фотоумножителя; поэтому этот прибор можно применять только при регистрации слабых световых потоков.
Оптическая схема полихроматора, назначение его отдельных частей.
Полихроматор представляет собой спектральный прибор, предназначенный для разложения в спектр падающего на его входную щель излучения и выделения из полученного спектра спектральных аналитических линий элементов с заранее выбранными длинами волн.
Оптическая схема представляет собой схему Пашена-Рунге, в которой водная щель, вогнутая дифракционная решётка и выходные щели установлены на круге Роуланда (диаметр 1м). Излучение от источника возбуждения спектра осветительной системой (трёхлинзовый конденсор) направляется через входную щель на дифракционную решётку. Вогнутая дифракционная решётка с радиусом кривизны 1 м разлагает излучение в спектр, фокусируя его по дуге круга Роуланда на вторичные щели.
На фокальной поверхности расположены выходные щели, выделяющие из спектра участки с определёнными длинами волн.
За выходными щелями помещены плоские или сферические зеркала, которые отклоняют излучение и фокусируют его на фотокатоды ФЭУ.
Полихроматор состоит из корпуса, на котором крепится чугунная платформа с оптическими узлами и кожуха.
Кожух и корпус покрыты внутри слоем теплоизолирующего материала для уменьшения влияния изменения температуры на положение спектра относительно выходных щелей.
Схема полихроматора так же представляет собой схему Пашена-Рунге. Полихроматор установлен в изолированный термостабилизированный корпус, температура (380С) в котором поддерживается нагревательным устройством.
Воздух поглощает ультрафиолет, для устранения этого эффекта спектрометр помещают в вакуумную камеру.
Зависимость интенсивности спектральных линий от числа атомов в облаке разряда.
Интенсивность спектральной линии прямо пропорциональна числу атомов данного элемента в светящемся паре. Чем больше это число, тем спектральная линия интенсивнее.
Однако экспериментальная кривая зависимости величины Lg I от Lg C показывает, что по мере увеличения концентрации рост интенсивности замедляется. Это объясняется тем, что в светящемся облаке свет не только излучается, но и поглощается; причём поглощение тем больше, чем выше концентрация. Это явление называется самопоглощением спектральных линий.
В результате самопоглощения излучения в газовом объёме дальнейшее увеличение концентрации данного элемента в пробе не приводит к заметному увеличению интенсивности линии, его спектра, — интенсивность спектральной линии как бы насыщается.
Процессом поглощения света объясняется также и другое явление – самообращение спектральных линий, которое проявляется в виде уменьшения интенсивности в середине линии. При больших концентрациях ослабление середины линии становится иногда настолько сильным, что линия кажется раздвоенной. Поглощение света в центральной зоне светящегося облака пара (более горячей зоне) компенсируется излучением в этой же зоне, в результате чего имеет место лишь замедление роста интенсивности линии с концентрацией (самопоглощение). Поглощение света в периферийной зоне светящегося пара не компенсируется излучением, так как температура в ней низка и возбуждённых атомов, способных излучать мало. В периферической, более холодной, зоне излучение, соответствующее центру линий, поглощается сильнее, чем излучение, чем излучение, соответствующее крайним участкам линии. Поэтому центр спектральной линии ослабляется. Ослабление интенсивности в центре линии тем сильнее, чем больше концентрация элемента.
Дисперсия и разрешающия сила спектрометра (спектрального прибора).
Дисперсия – это результат разложения света сложного состава.
Основным элементом спектрального прибора, позволяющим разлагать излучение какого-либо
источника в спектр, является диспергирующий элемент
Диспергирующий элемент определяет основные характеристики спектрального прибора – угловую и линейную дисперсию.
Если линии узкие по сравнению с расстоянием между ними, то они оказываются разделёнными. Широкие линии могут оказаться слившимися даже при значительном расстоянии между ними.
Ещё одной важной характеристикой спектрального прибора является разрешающая сила R, которая определяется соотношением R = λ/δλ
Где δλ – разность длин волн двух спектральных линий, разрешаемых спектральным прибором.
λ – длина волны, для которой определяют разрешающую способность спектрального прибора.
Практическая разрешающая сила зависит от ширины входной щели: чем меньше ширина входной щели, тем больше разрешающая сила. Но уменьшение ширины щели приводит к сужению линий только до определённого предела, так как происходит увеличение ширины линии вследствие дифракции света в приборе.
Поэтому разрешающая способность прибора зависит только от действующего отверстия и угловой дисперсии.
В призменных приборах увеличение числа призм увеличивает соответственно разрешающую способность. В дифракционных приборах разрешающая способность зависит только от общего числа штрихов и порядка спектра.
Разрешающая способность будет тем больше, чем меньше искажается изображение щели в результате диффракции на диафрагмах внутри прибора, чем совершеннее оптика и чем меньше диффузность линий.
Что такое диспергирующий элемент? Принцип работы призмы.
Дисперсия – это результат разложения света сложного состава.
Основным элементом спектрального прибора, позволяющим разлагать излучение какого-либо источника в спектр, является диспергирующий элемент
Диспергирующий элемент определяет основные характеристики спектрального прибора – угловую и линейную дисперсию.
Угловая дисперсия – основная характеристика спектрального прибора, которая определяется как отношение изменения угла отклонения dφ к изменению длины волны dλ диспергируемого излучения.
Линейная дисперсия – другая важная характеристика спектрального прибора, которая равна отношению изменения линейного расстояния dl между спектральными линиями в плоскости камерного объектива к изменению длины волны dλ.
В спектральных приборах применяется два типа диспергирующих элементов — это спектральная призма и дифракционная решётка.
Принцип работы спектральной призмы.
Дисперсия света в призме осуществляется благодаря тому, что показатель преломления вещества призмы зависит от длины волны. На рис. через призму проходит световой пучок, состоящий из двух длин волн λ1 и λ2. Если λ1 < λ2, то уже на первой грани лучи разойдутся, т.к. показатели преломления для этих лучей разные. После преломления на второй грани угол расхождения Δφ ещё больше увеличится. Таким образом, световой пучок сложного состава после прохождения через призму распадается на пучки лучей разных направлений в зависимости от длин волн. Для каждой длины волны имеется свой угол отклонения φ.
Чем меньше длина волны, тем угол отклонения больше.
Фиолетовые лучи, например, отклоняются призмой сильнее, чем красные.