Урок 11. Космические аппараты. Спектральный анализ. Эффект Доплера. Космические аппараты видео-урок https://www.youtube.com/watch?v=kcKpKxAyF2g Спектральный анализ. Спектральный анализ - это анализ качественного и количественного состава веществ по атомным, молекулярным или ионным спектрам испускания или поглощения. Если исследованию подвергается спектр испускания (излучения), анализ называют эмиссионным, если же исследуется спектр поглощения, - абсорбционным. Существуют другие, более сложные спектры, которые ис­пользуются в научных исследованиях, например, спектры комбинационного рассеяния. Атомно-эмиссирнный спектральный анализ. Атомно-эмиссионный спектральный анализ - это анализ элементного состава веществ по спектрам излучения (испускания). Для того чтобы получить атомный спектр, необходимо вещество нагреть до парообразного состоя­ния. При этом происходит возбуждение атомов - переход электронов с одних уровней на другие, испускаются кванты электромагнитного излучения. Если свет, излучаемый возбужденными атомами вещества, направить в спектральный аппарат, он разложится в спектр - набор излучений определенной длины волны и частоты. Достоинством спектрального анализа является его универсальность. Метод позволяет анализировать вещество в любом агрегатном состоянии без особой подготовки проб по общей схеме. Метод селективный. Одновременно из одной навески можно определить более 30 элементов, не применяя их разделения. Эмиссионный спектральный анализ достаточно чувствительный. Он имеет нижний предел обнаружения 10-3 ... 10-3 %, а в некоторых случаях и 10-5 %. Достоинствами спектрального анализа (СА) являются его экспрессность и возможность автоматизации. Наибольшей скорости и эффективности достигают при фотоэлектрической регистрации спектров, когда массовому анализу подвергают однотипные сплавы или другие образцы материалов. В среднем на проведение анализа затрачивается 2-6 мин, причем одновременно анализируется в зависимости от требований заказчика и модификации прибора не менее 5-10 элементов. Спектральный анализ применяют для определения содержания примесей в чистых и высокочистых веществах, в черной металлургии анализируют состав руд и шлаков, сталей и чугунов на выпуске и по ходу плавки. Методы спектрального анализа используют для анализа объектов окружающей среды, в геологии, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей промышленностях, биологии, медицине, астрономии и т.д. Для получения спектра необходимо перевести ис­следуемое вещество в парообразное состояние и возбудить атомы. Для этих целей используют различные виды источников. Среди источников возбуждения спектров наиболее распространенными являются пламя, электрическая дуга переменного или постоянного тока, низко- и высоковольтная конденсированная искра и др. Методы атомно-эмиссионного спектрального анализа. Различают качественный и количественный методы анализа. Задача качественного анализа - идентификация элементов пробы. Качественный анализ может быть полным (идентификация образца неизвестного происхождения) или частичным (на определенные элементы) в зависимости от поставленных задач. Качественный анализ может производиться двумя способами: 1. Определив длину волны интересующей спектральной линии, по атласу спектральных линий устанавливают, какому элементу она принадлежит. Для рас­шифровки необходим спектр сравнения. 2. Определив по атласу или справочнику длину волны интересующего элемента (наиболее интенсивную его линию), ищут эту линию на спектрограмме и в случае ее обнаружения считают, что элемент присутствует в пробе. Количественные методы определения массовой доли элементов в исследуемой пробе основаны на зависимости интенсивности спектральных линий от концен­трации атомов этих элементов в пробе. Для регистрации спектров применяют три способа: визуальный, фотографический и фотоэлектрический. Соответственно и приборы разделяются в зависимости от способа регистрации спектра на приборы с визуальной регистрацией - стилоскопы, с фотографической регистрацией - спектрографы и с фотоэлектрической регистрацией квантометры, фотоэлектрические стилометры, спектрометры. Приборы с фотографической регистрацией спектров. С помощью спектрографов можно проводить качественный, количественный и полуколичественный анализы веществ в любом агрегатном состоянии. Спектрографы отличаются типом диспергирующих устройств, источником возбуждения спектров, разрешающей способностью, светосилой и другими характеристиками. Наиболее распространенными являются спектрографы с кварцевой или стеклянной оптикой (ИСП-30, ИСП-51) с дифракционными решетками (ДФС-8, ДФС-452, 457, СТЭ-1-1М) и др. Это высокоинформационные приборы, степень информативности которых зависит от фиксируемой области спектра, дисперсии, светосилы. Дифракционные спектрографы имеют большую протяженность спектра и позволяют анализировать одновременно до 70 элементов. Приборы с фотоэлектрической регистрацией спектра. Эти приборы основаны на измерении аналитического сигнала при помощи фотоэлементов (ФЭ) или фотоумножителей (ФЭУ). Аналитическим сигналом является интенсивность излучения. Для регистрации сигналов излучение каждой линии выводят на фотоэлектрический приемник последовательно или используют такой фотоэлектроприемник, на котором аналитический сигнал каждой линии регистрируют одновременно, но отдельно друг от друга. Последовательная регистрация излучения отдельных участков спектра называется сканированием, а прибор, позволяющий это осуществить, - монохроматором. Одновременную регистрацию всех изучаемых излучений производят полихроматором. Для вывода излучения из общего пучка используют щели. В монохроматоре щель одна, в полихроматоре несколько - по числу определяемых элементов. Фотоэлектрический приемник излучения устанавливают за щелью. Сканирование осуществляют либо перемещением щели, либо вращением диспергирующего устройства. Атомно-абсорбционный анализ. Атомно-абсорбционный метод основан на изучении химического состава вещества по атомным спектрам поглощения. В основе лежит закон Кирхгофа, согласно которому элемент поглощает излучение той же длины волны, что и испускает в возбужденном состоянии. Принцип анализа - в переводе определяемого элемента в атомный пар, через который пропускают резонансное излучение определяемого элемента. Излучение резонансной длины волны после поглощения выделяется монохроматором и направляется на фотодетектор, выходной сигнал которого после усиления регистрируется. Атомно-абсорбционная спектрофотометрия отличается высокой селективностью и чувствительностью. Предел обнаружения составляет 10-12 ... 10-14 г (10-5 ... 10-8 %). Относительно простая методика определений позволяет его использовать для анализов различных материалов: горных пород, нефтепродуктов, особо чистых веществ. Спектры поглощения расположены в видимой и ультрафиолетовой областях, бедны линиями, поэтому практически не имеется их наложения, что облегчает идентификацию. Практически отсутствуют спектральные помехи, а способы измерения не требуют такой высокой точности, как в эмиссионном спектральном анализе, поскольку измерению подвергается не абсолютная величина сигнала, а отношение величины непоглощен­ного сигнала к поглощенному. Большим преимуществом является возможность применения для градуировки не только стандартных образцов, но и чистых солей и синтетических примесей. Эффект Доплера. Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются: длина волны; период колебаний в волне; частота колебаний в волне; амплитуда; скорость волны. Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний. Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны. Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя. Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него. Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него. Именно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него. И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя. ДЗ: зарисовать следующие картинки «Спектральный анализ» и «Эффект Доплера».
