Точно знати хімічний склад речовини потрібно в багатьох сферах виробничої діяльності. Від чистоти робочого матеріалу залежить протікання хімічних процесів. Однак чисті матеріали, позбавлені будь-яких домішок, в природі практично не зустрічаються. Щоб вивчити хімічний склад робочої субстанції, досліджуються процеси випускання і поглинання світла атомами — спектральний аналіз.

Цей метод дослідження природи речовини був відкритий в середині 19 століття і справив сенсацію. З його допомогою був зроблений ряд важливих досягнень у галузі хімії і фізики, отримано нові знання про хімічні елементи. Аналіз є дуже чутливим і дозволяє виявляти навіть мікроскопічну домішка чужорідної субстанції. Однак сфера застосування спектрального аналізу простягається набагато далі вивчення складу речовин.

Що таке спектр?

Спектром називають явище, при якому світловий промінь, проходячи через заломлює об’єкт (наприклад, призму), розкладається на кілька різнокольорових променів.

Атоми кожного хімічного елемента мають свій індивідуальний спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Завдяки цій унікальності, можна визначити хімічний склад речовини. Вивчення спектрів випромінювання і поглинання світла атомами лежить в основі спектрального аналізу (спектроскопії).

Випромінювання атомів речовини здійснюється тільки у збудженому стані, при впливі на них якимось джерелом енергії. Отримавши енергію, речовину віддає її назад у вигляді випромінювання і повертається в звичайний стан. Отримані дані про випущенні і поглинання світла атомами обробляються за допомогою спеціальних спектральних апаратів.

Види випромінювання

Воно буває:

Теплове. При нагріванні тіла, атоми прискорюють свій рух, що призводить до виділення енергії. При досягненні певної концентрації виробленої енергії, речовина починає випромінювати світло.

Для випускання і поглинання світла атомами може використовуватися електричне поле. У цьому випадку енергія випромінювання називається електролюмінесценцією.

Хемілюмінесценція. Це явище відбувається при деяких хімічних реакціях, коли температура речовини залишається звичайною, а випромінювання відбувається за рахунок взаємодії з іншою речовиною.

Фотолюмінесценція. Виникає, коли атоми починають самі випромінювати світло під впливом іншого джерела випромінювання.

Види спектроскопії

Для вивчення процесів поглинання і випромінювання світла атомами використовуються різні методи спектрального аналізу:

Емісійний.

Абсорбційний.

Люмінесцентний.

Рентгенівський.

Радіоспектроскопічний.

Спектрофотометричний та ін.

Найбільш поширеними способами спектроскопії є емісійний, абсорбційний та люмінесцентний.

При емісійному методі аналізу речовина необхідно перевести в газоподібний стан. Під впливом високих температур речовина розпадається на атоми. В цьому випадку характер випромінювання речовини стає критерієм визначення хімічного складу. Вивчення процесу проходить за допомогою спектральних апаратів, аналізують тип хвилі.

Абсорбційний метод застосовують для дослідження не випущення, а поглинання світла атомами. В залежності від природи елемента, характер поглинання енергії речовиною буде індивідуальним у кожному випадку.

При люмінесцентному методі збудження речовини відбувається за допомогою інфрачервоних або ультрафіолетових променів.

Застосування спектрального аналізу

Спектроскопія принесла світові чимало цінних відкриттів у різних галузях знань.

Безліч хімічних елементів було виявлено завдяки спектральному аналізу: цезій, гелій, рубідій та інші. Основний колір їх спектрів часто служить причиною назви (наприклад, “рубідій” — “темно-червоний”).

Широко застосовується спектроскопія в області промисловості, зокрема, у машинобудівній сфері, металургії. Спектральний аналіз допомагає найбільш точно визначити склад мінералу, що дозволяє отримати максимально чисте речовина для виробництва.

Незвичайне застосування аналізу знайшлося в області криміналістики, зокрема, для встановлення автентичності або підробленості документа.

Значення спектрального аналізу для астрофізики

Найцінніші відомості процеси випускання і поглинання світла атомами дають в області астрофізики і досліджень космосу.

Тільки завдяки спектральному аналізу вдалося встановити хімічний склад небесних об’єктів, наприклад, Сонця і зірок. Спектроскопія показала, що у складі зірок знаходяться ті ж елементи, що на Землі. Фотосфери небесних тіл — не що інше, як безперервний спектр.

Не тільки хімічний склад зірок відкрився завдяки спектральному аналізу. Цей метод дозволив вивчити життєвий цикл зірки. Кожна з них отримала своє місце в спектральному класі, виходячи з її розміру й температури випромінювання.

Спектральний аналіз дозволив отримати уявлення про космічних розмірах і відстанях, про швидкості руху космічних об’єктів, їх обертанні. Ефект Доплера доповнює і розкриває суть досліджень, проведених за допомогою спектроскопії.

Таким чином, більшість сучасних астрономічних досліджень базується на даних спектрального аналізу.

Лазери, випускання і поглинання світла атомами в спектрах

Лазер (квантовий генератор) є джерелом випромінювання. У ньому випромінювання енергії збудженими атомами здійснюється під впливом зовнішнього стимулу. Спектри лазера формуються випусканням світла атомами, а не його поглинанням. Пучок лазера є когерентним: промені йдуть паралельно і практично не розходяться, незалежно від відстані до джерела випромінювання. Лазери широко застосовуються в різних галузях знань, зокрема, в медицині, оптичної фізики, фотографії, металургії і т. д.

Розглянувши процеси випускання і поглинання світла атомами коротко і познайомившись з головним методом досліджень — спектральним аналізом, можна зробити висновок про його незаперечною значущості в сучасному світі. Безліч сфер науки, виробництва і технологій застосовують цей метод і його результати в своїй роботі.