Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Устройство, основные элементы и принципы действия спектральных приборов.Содержание книги
Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Основные узлы приборов эмиссионной спектроскопии. Прибор для проведения спектрального анализа имеет следующие основные узлы: источник возбуждения, диспергирующий элемент и приемник света. Кроме этих основных узлов есть оптическая система, предназначенная для получения параллельного пучка света, его фокусировки, изменения хода лучей и т. д. В источнике возбуждения вещество атомизируется и возбужденные атомы или ионы испускают свет, который диспергирующим элементом разделяется в пространстве на отдельные составляющие, а приемник света их фиксирует. 1) Источники возбуждения Источники возбуждения переводят пробу из конденсированной фазы в парообразную и возбуждают вещество в этой фазе. В большинстве источников возбуждения эти функции совмещаются, однако в некоторых случаях применяют два устройства: одно для получения газовой фазы, другое - для возбуждения. Возбуждение атомов происходит при передаче энергии быстролетящими частицами, чаще всего электронами, если их энергия достаточна для возбуждения. Чтобы атом перешел в возбужденное состояние, необходима энергия, по меньшей мере равная энергии резонансного уровня атома. Источник возбуждения должен обеспечивать необходимую яркость спектра по сравнению с фоном и быть достаточно стабильным, т. е. интенсивности спектральных линий должны оставаться постоянными по крайней мере за время измерения. Наибольшее применение в качестве источников возбуждения получили пламя, дуга и искра. К источнику возбуждения часто относят и устройство для введения анализируемой пробы, вид и конструкция которого зависят от характера, агрегатного состояния и физических свойств пробы. Анализируемые металлические образцы в электрических источниках возбуждения обычно служат электродами разрядного промежутка. Растворы вводят в источник возбуждения с помощью распылителей, порошкообразные пробы — с помощью специальных устройств или при использовании угольных электродов, в которых высверливается канал для набивки порошкообразной пробы. Применяют также брикетирование анализируемого порошка с добавкой металлов, их оксидов или графита. Изготовленный брикет затем становится электродом. Пламя. Пламя дает достаточно яркий и стабильный спектр. Простота регулировки и надежность работы пламенных источников обусловили, по сути дела, второе рождение пламенно-фотометрических методов, применяемых очень широко. Возбуждение спектров в пламени имеет в основном термический характер. Температура пламени зависит от состава горючей смеси. С помощью пламенных источников определяют свыше 40 элементов (Mg, Си, Mn, T1, щелочные элементы, щелочно-земельные т.д.). Анализируемое вещество вводится в пламя в виде раствора с помощью специального распылителя, обеспечивающего равномерное поступление вещества. Дуга. Электрическая дуга - это электрический разряд при сравнительно большом силе тока (5...7 А) и небольшом напряжении (50...80 В). Разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с раскаленной поверхности катода. Разряд пропускают между электродами из анализируемого образца или между образцом и электродом, не содержащим определяемых элементов. Температура дуги достигает 5000...6000 °С. Введение в электроды примесей, обладающих более низким, чем основной элемент пробы, потенциалом возбуждения понижает температуру дуги. Так, в присутствии солей калия температура дуги между угольными электродами падает с 7000 до 4000 °С. Это открывает возможность регулировать температуру дуги и поддерживать ее постоянной путем введения в зону разряда элемента с низким потенциалом возбуждения - так называемого спектроскопического буфера. Обычно это соли натрия или калия в достаточном количестве. В присутствии спектроскопического буфера устанавливается определенная температура плазмы, практически не зависящая от состава анализируемой пробы. Существенным недостатком дуги является также значительное разрушение анализируемого образца. Повышение напряжения обычно улучшает стабильность дуги, что приводит к повышению точности анализа. Высоковольтная дуга питается напряжением в несколько тысяч вольт. В практике спектрального анализа применяют также плазменную горелку или плазмотрон (рис. 1). Плазмотрон представляет собой камеру с двумя графитовыми электродами. В камере между анодом 1 и катодом 3 зажигается дуга при силе тока 20...30 А и по трубке, расположенной по касательной к стенке, подается инертный газ 2 при 150...200 кПа. В аноде имеется отверстие, через которое инертный газ выходит. Вихревые потоки газa в камере охлаждают плазму снаружи, что приводит к сжатию разрядного шнура и увеличению в нем плотности тока. Сжатая плазма вместе с газом выбрасывается через отверстие анода в виде струи длиной 10...15 мм, которая светится над поверхностью анода. Температура в плазме достигает 5000... 10 000 °С и выше. Анализируемый раствор 4 подается в плазму специальным распылителем.
Искра. Для получения искры используют специальные искровые генераторы. Принципиальная схема генератора (рис. 2) включает вторичную обмотку повышающего трансформатора 1, которая присоединяется параллельно к емкости 2 и последовательно к катушке самоиндукции 3 и искровому промежутку 4. Пробивное напряжение более постоянно в управляемых схемах. Так, в дуге Райского введен вспомогательный разрядный промежуток, задающий и поддерживающий на постоянном уровне пробивное напряжение основного разрядного промежутка. При горении искры развивается температура 7000...10 000 °С и происходит возбуждение всех элементов. При необходимости температура искры может быть повышена до 12000°С и выше. Для проведения локального микроспектрального анализа применяют микроискровой метод, в котором используют игольчатые электроды (например, медные) и устанавливают малое межэлектродное расстояние. Микроискровой метод дает возможность выявить локальное распределение элементов по поверхности в сталях, железе и других образцах с локальностью 0,3...0,5 мм2. Яркость искрового спектра недостаточна для визуального анализа Основное достоинство искры составляет большая стабильность условий разряда и, следовательно, необходимая в количественном анализе стабильность условий возбуждения. Работа с искрой практически не вызывает разрушения образца, что выгодно отличает искру от дуги. Перспективным высокочувствительным источником света является также полый катод, в котором могут возбуждаться элементы с высоким потенциалом возбуждения. 2) Диспергирующий элемент Диспергирующий элемент разлагает излучение в спектр. Это наиболее важная часть спектрального прибора, в значительной степени определяющая его аналитические возможности и основные характеристики: линейную дисперсию и разрешающую способность. Диспергирующий элемент характеризуется угловой дисперсией, которую определяют как угловое расстояние j между двумя лучами с близкими длинами волн и , отнесенное к интервалу , т. е. . От угловой дисперсии диспергирующего элемента зависит линейная дисперсия спектрального прибора , где - линейное расстояние в фокальной плоскости прибора между двумя лучами с близкими длинами волн и , отнесенное к интервалу . В практике часто используется величина, обратная линейной дисперсии: D=1/ . Она обычно находится в пределах от 0,1 до 10,0 нм/мм. Разрешающей способностью спектрального прибора называют его способность давать раздельное изображение двух спектральных линий с близкими длинами волн. Количественной характеристикой разрешающей способности прибора является отношение R=l/ , где - интервал, в котором линии и наблюдаются раздельно. У обычных спектральных приборов разрешающая способность составляет величину от 5000 до 50 000. В качестве диспергирующего элемента используют призмы, дифракционные решетки и интерференционные устройства. Большое распространение в аналитической практике получили призменные спектральные приборы и приборы с дифракционной решеткой. Призмы для спектральных аппаратов изготовляют из стекла или кварца, так как эти материалы достаточно прозрачны в широкой области длин волн. Стеклянные призмы имеют более высокую угловую дисперсию и более доступны по сравнению с кварцевыми, поэтому для работы в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра обычно используют стеклянные призмы. Для исследования ультрафиолетовой области спектра применяют призмы из кварца. Дифракционные решетки в качестве диспергирующего элемента имеют существенные достоинства. Дисперсия света в дифракционной решетке не зависит от длины волны и разрешающая способность решетки значительно выше, чем призмы. Спектральный интервал, доступный для исследования, достаточно широк (от 200 до 1000 нм). 3) Приемники света Приемники света характеризуются спектральной чувствительностью: способностью воспринимать излучение различной длины волны и интегральной чувствительностью, которая измеряется действием неразложенного в спектр излучения. Глаз человека чувствителен к свету в области спектра примерно от 400 до 760 нм. Чувствительность глаза максимальна к желто-зеленому свету (550 нм) и убывает от него в обе стороны - и к красной и к фиолетовой. Возможности глаза как измерительного прибора ограничены также и тем, что он очень приближенно оценивает разность или отношение интенсивностей световых потоков. С достаточной точностью он устанавливает лишь равенство или неравенство интенсивностей световых потоков одного цвета. На этом свойстве основаны все приемы визуальных методов. Фотопластинка. Светочувствительный слой фотопластинки -это мелкие кристаллы галогенидов серебра, равномерно распределенные в тонком желатиновом слое. При освещении фотопластинки в светочувствительном слое образуется скрытое изображение, как результат фотолиза галогенида серебра под действием кванта света. На освещенных местах фотопластинки появляются кристаллы металлического серебра. Скрытое изображение проявляют путем обработки фотопластинки специальным проявителем, который завершает процессвосстановления серебра на освещенных участках и позволяет получить видимое изображение. Полученное изображение закрепляют (фиксируют) с помощью раствора тиосульфата натрия, закрепителя или фиксажа), который растворяет кристаллы галогенида серебра, не подвергшиеся действию света. После такой обработки на фотопластинке остается изображение спектра в виде спектральных линии. Важным свойством фотопластинки является ее чувствительность. Чувствительность определяют как величину, обратную количеству освещения (экспозиции), необходимого для получения почернения, на 0,2 превышающего почернение вуали при освещении белым светом. Для спектрального анализа более интересной характеристикой является спектральная чувствительность, которую обычно представляют графически как S = f(k). К основным достоинствам фотопластинок как приемников излучения в спектральном анализе относят их способность интегрировать интенсивность света, высокую чувствительность, достаточно широкий спектральный интервал, документальность анализа, а также возможность длительное время сохранять информацию, заложенную в спектре. По сфотографированным спектрам, даже спустя длительное время после их получения, можно, в частности, проверить содержание различных элементов в пробе, включая и те, которые ранее не определялись. Одним из основных недостатков фотопластинок является неравномерность их эмульсии, представляющая дополнительный источник погрешности анализа, а также длительность и трудоемкость операций по химической обработке фотоматериалов. Фотоэлементы. Фотоэлементами называют устройства, преобразующие световую энергию в электрическую. Действие фотоэлементов основано на использовании фотоэффекта. Различают внешний и внутренний фотоэффекты. При внешнем фотоэффекте поглощение света приводит к отрыву электрона с облучаемой поверхности. Внутренний фотоэффект характеризуется увеличением электрической проводимости вещества под действием света. Если внутрений фотоэффект проявляется вблизи граничного слоя между двумя полупроводниками или полупроводником и металлом, возникает фотоЭДС. Это явление иногда выделяют в особый вид фотоэффекта и называют фотогальваническим эффектом или эффектом запорного (запирающего) слоя. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 3) состоит из фотокатода 1 и анода 2, помещенных в стеклянную колбу 3. Если колба эвакуирована, фотоэлемент называют вакуумным. При действии света на катод из него вырываются электроны, которые, попадая на анод, замыкают цепь: гальванометр показывает наличие тока. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом чувствительны в широкой области спектра, имеют линейную световую характеристику и практически безынерционны. Чувствительность их невысока, однако большое внутреннее сопротивление позволяет включать эти фотоэлементы в усилительные схемы. Среди недостатков у элементов этого типа необходимо отметить наличие темнового тока, хрупкость конструкции.
Рис. 3 - Фотоэлемент с внешним эффектом Рис. 4 - Фотоумножитель: 1 - катод; 2 - эмиттер; 3 - анод Значительно более чувствительными приемниками света являются фотоумножители (рис. 4), действие которых основано на внешнем фотоэффекте и вторичной электронной эмиссии. Расположение электродов и фокусирующее поле выбирают так, чтобы первичный электронный поток, попадая на первый эмиттер, вызывал вторичную электронную эмиссию, электроны вторичной эмиссии направлялись на следующий эмиттер и т. д. Усиление подчиняется закону геометрической прогрессии: . I - сила тока на выходе прибора; Iо — начальная сила тока; s - коэффициент вторичной электронной эмиссии; т — число каскадов усиления. В фотоэлементах с запирающим слоем используют внутренний фотоэффект полупроводника и вентильный эффект запирающего слоя, который образуетсяна границе между полупроводником и металлом или двумя полупроводниками. Запирающий слой пропускает электроны практически лишь в одном направлении и не пропускает в другом. Таким образом, возбужденные электроны могут проходить через запирающий слой, создавая разность потенциалов. В селеновом фотоэлементе (рис. 5) электроны, находящиеся в селене под действием света возбуждаются и через запирающий слой проходят в полупрозрачную пленку золота, являющуюся покрывным электродом. Обратному переходу электронов препятствует запирающий слой. Это приводит к тому, что покрывной электрод заряжается отрицательно, а слой селена положительно. При замыкании такой системы во внешней цепи появляется ток. Характерным свойством фотоэлементов с запирающим слоем является возникновение тока под действием света без участия постороннего источника напряжения. Аналогично устроены кремниевый и многие другие фотоэлементы с запирающим ело. Достоинствами фотоэлементов с запирающим слоем является высокая чувствительность, широкий спектральный интервал простота конструкции. Основные недостатки: нелинейность световой характеристики, инерционность и заметная температурная зависимость фототока. Конструкция спектральных приборов Конструкции спектральных приборов весьма разнообразны. Они различаются по типу диспергирующего элемента, регистрации спектра и т. д. В приборах для визуального спектрального анализа - различных стилоскопах и стилометрах – диспергирующим элементом являются стеклянные призмы, приемником света служит глаз наблюдателя. На рис.2.10 представлена оптическая схема одного из распространенных приборов - стилоскопа СЛ-11. Свет от источника возбуждения 1 через оптическую систему 2 попадает на входную щель 3 постоянной ширины 0,02 мм и поворотной призмой 4 через объектив 5 направляется на диспергирующую систему из двух призм 6 и 7. Покрытый серебром катет призмы 7 отражает лучи, которые вновь проходят диспергирующую систему и через объектив 5 и поворотную призму попадают на зеркало 9 и далее в окуляр 11, служащий для наблюдения спектра. Фотометрический клин 10 позволяет ослаблять интенсивность выбранной спектральной линии и по специальной шкале связанной с клином, оценивать ее относительную интенсивность Призма 7 может вращаться, что приводит к перемещению спектра в поле зрения, а угол поворота призмы показывает но шкале, к какой области длин волн относится наблюдаемый участок спектра. Стилоскоп предназначен для работы в спектральной области от 390 до 700 нм, для возбуждения спектра обычно используется дуговой генератор. Элементарный фотометрический клин позволяет повысить точность анализа по сравнению с обычными стилоскопами
Рис. 2.10. Оптическая схема стилоскопа СЛ-11 Более сложную, чем у стилоскопов, оптическую схему и устройство имеют стилометры, например стилометр СТ-7. Фотометрическая система этого прибора позволяет независимо ослаблять интенсивность двух спектральных линий и количественно характеризовать их относительную интенсивность, а также сближать в поле зрения аналитическую пару линий, что создает удобство в работе и повышает точность анализа. Оптическая схема спектрографа ИСП-28 представлена на рис. 2.11. От источника излучения свет проходит оптическую систему 2 и через щель 3 попадает на зеркальный объектив 4, который отражает падающие параллельным потоком на диспергирующую призму 5 и через объектив 6 на фотопластинку 7. Основные узлы приборов абсорбционной спектроскопии В каждом из приборов абсорбционной спектроскопии имеется несколько основных узлов, функции которых примерно одинаковы в разных приборах. Такими узлами являются: источник света, монохроматизатор света, кювета с исследуемым веществом, рецептор (приемник света). К этим основным узлам следует добавить оптическую систему состоящую из линз, призм и зеркал, которая служит для создания параллельного пучка света, изменения направления и фокусировки света, а также систему для уравнивания интенсивности световых потоков (диафрагмы, оптические клинья и т. д.). В приборах абсорбционной спектроскопии свет от источника освещения проходит через монохроматизатор и падает на кювету с исследуемым веществом. Интенсивность монохроматического света, прошедшего через кювету, измеряется приемником света (рецептором). Практически обычно определяют отношение интенсивностей монохроматического света, прошедшего через исследуемый раствор и через растворитель или специально выбранный раствор сравнения. 1) Источники света Основными источниками освещения в абсорбционной спектроскопии являются вольфрамовые лампы накаливания, газонаполненные лампы (водородная, ртутная), штифт Нернста и глобар. В простейших приборах в качестве источника освещения используется дневной свет.В лампе накаливания светящаяся вольфрамовая спираль дает свет в широком спектральном интервале. Однако стекло пропускает свет лишь в интервале длин волн 350...1000 нм, т. е. в видимой части спектра и самых ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях. В водородной лампе происходит свечение водорода при разряде. Условия возбуждения подбирают так, что возникает практически сплошное излучение в области 200...400 нм. В ртутной лампе разряд происходит в парах ртути. Возбужденные атомы ртути испускают линейчатый спектр, в котором преобладает излучение с длиной волны 254, 302, 334 нм. Штифт Нернста представляет собой столбик, спрессованный из оксидов редкоземельных элементов. При накаливании путем пропускания электрического тока он дает ИК-излучение в области 1,6...2,0 или 5,6...6,0 мкм. Глобар-штифт из карборунда SiC дает излучение в интервале 2...16 мкм также при пропускании электрического тока. 2) Монохроматизаторы (монохроматоры) Монохроматизаторами или монохроматорами называют устройства для получения света с заданной длиной волны. При конструировании монохроматнзаторов используют разные оптические явления: поглощение света, интерференцию, дисперсию и т. д. В качестве монохроматиэаторов применяются светофильтры и призмы. Действие абсорбционных светофильтров основано на том, что при прохождении света через тонкий слой вследствие поглощения происходит изменение величины и спектрального состава проходящего светового потока. Светофильтр состоит из двух тончайших полупрозрачных слоев серебра, между которыми находится слой диэлектрика. В результате интерференции света в проходящем пучке остаются лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине диэлектрического слоя. Наиболее универсальными монохроматизаторами являются призмы, изготовленные из кварца, стекла и некоторых других материалов. Для инфракрасной спектроскопии используют приз из LiF. NaCl. КВг и других галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов. Эти же материалы применяют для изготовления кювет. Призмы позволяют получать свет высокой монохроматичностн в широкой области длин волн. 3) Приемники света (рецепторы) В качестве рецепторов в приборах абсорбционной спектроскопни используют главным образом фотоэлементы, фотоумножители, а иногда интенсивность света оценивается на глаз. Приемники света характеризуется спектральной чувствительностью — способностью воспринимать излучение различной длины волны - и интегральной чувствительностью, которая измеряется по действию на рецептор не разложенного в спектр излучения. Промышленностью выпускаются различные приборы абсорбционной спектроскопии: колориметры, фотометры, фотоэлектро колориметры, спектрофотометры и т. д., в которых используют р. личные комбинации осветителей, монохроматизаторов и приемников света.
6. ИК-спектроскопия. Теоретические основы метода. Применение. ИК-спектроскопия относится к спектрохимическим методам измерений(40% от общего количества измерений). Спектрохимические измерения основаны на взаимодействии эл/магн волн с веществом, и используются для идентификации веществ по спектрам.Спектральные методы анализа делятся по спектральным областям: радиоспектроскопию,микроволновую, рентгеновскую, инфракрасную, гамма-спектроскопию. Спектры Эл/магн колебаний –эл/магн излучение, имеющее двойственную природу: волновую и карпускулярную, волновые хар-ки хар-ся λ-длина волны-расстояние, пробегаемое волной за 1 Т, ν – частота-число колебаний в едницу времени (Гц), ν – волновое число-число длин волн, укладывающееся в 1см (1/λ см-1). Длина волны и частота связаны через скорость света: Е=h·ν –энергия квантов. h =6,62·10-3 Дж·с. ИК-излучение наблюдается при λ>750 нм. ИК-спектр -это оптический паспорт молекулы, ее структурная формула-набор полос поглощения; это зависимость оптических характеристик от волновых. Нет двух веществ с одинаковым спектром. Различие в спектрах обусловлено их различной пространственной структурой. В ИК-спектроскопии выполняются законы поглощения света: Бугера, Ламберта, Бера: 1) Основной закон – Бугера-Ламберта-Беера: I=Io·10-εcl; 2) εcl=lg(1/Т)=А-закон Бера; 3) Закон аддитивности А=А1+А2+…+Аn. Следовательно, можно проводить все виды анализа: качественный и количественный, количественный и колич. групповой. При совпадении энергии кванта с частотой собственного колебания атома в молекуле фиксируют полосу поглощения. Для установления структуры соединения Ик-спектр расшифровывают, т. е. для каждой полосы находят соответствующую атомную группировку или химическую связь, а затем по совокупности групп реконструируют молекулу в целом. Связь между спектром и структурой была найдена учеными на основании опыта и объеденена в табл. характеристических частот и корреляц. диаграмм. Характеристическими называются такие частоты, которые свойственны данной связи или группе атомов и свободны от наложения других полос, и воспроизводимы в различных соединениях. На заключительном этапе сравнивают спектр, который идентифицировали и спектр в атласе спектров. Систематический поиск класса вещества проводят по ключевым частотам- которые характерны для различных классов орг. соединений. В зависимости от наличия или отсутствия в спектре ключевой частоты исключается значительное количество классов. Энергия кванта ик-излучения малачтобы вызвать электронный переход в атомах. ИК-системы взаимодействуют только с колебательной и вращательной энергией.Каждому виду колебаний соответствует своя частота, энергия кванта.Для ИК-спектроскопии спектр записывают в координатах Т=f(ν), где ν- волновое число. С помощью ИК-спектров было установлено строение многих олефинов, ароматических соединений, карбонильных, аминокислот и др.групп веществ. ИК-спектроскопия успешно применяется и в анализе неорг. веществ.Методом ИК-спектроскопии можно исследовать ИКС в любом агрегатном состоянии: р-ры; газы; твердые вещества - полимеры. Определенные требования существуют для растворителей: они не должны влиять на материал кювет и на спектр исследуемого вещества. Чаще в качестве растворителя применяют ССI4, СS2. Для ИК-спектроскопии применяют спектрофотометры – приборы, предназначенные для записей спектров поглощения. Основные узлы которых: источник излучения; диспергирующее устройство(призма, дифракц. решетка);кювета с 0-вым и анализир. раствором;приемник излучения, фотоэлемент, фотоумножитель; измерительный прибор –индикатор сигнала
|
||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-07-11; просмотров: 2237; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.22.74.192 (0.015 с.) |