Spectra. Spektrálna analýza

Spektrálna analýza- jedna z najdôležitejších fyzikálnych metód na štúdium látok. Určené na určenie kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia látky na základe jej spektra.

Chemici už dlho vedia, že zlúčeniny určitých chemických prvkov, ak sa vložia do plameňa, zafarbia ho do charakteristických farieb. Sodné soli teda robia plameň žltým a zlúčeniny bóru ho robia zeleným. Farba látky vzniká vtedy, keď buď vyžaruje vlny určitej vlnovej dĺžky, alebo ich absorbuje z celého spektra bieleho svetla, ktoré na ňu dopadá. V druhom prípade farba okom viditeľný Ukázalo sa, že nezodpovedá týmto absorbovaným vlnám, ale iným - dodatočným, ktoré v kombinácii s nimi poskytujú biele svetlo.

Tieto vzory, ktoré vznikli začiatkom minulého storočia, boli zhrnuté v rokoch 1859-1861. Nemeckí vedci G. Kirchhoff a R. Bunsen, ktorí dokázali, že každý chemický prvok má svoje charakteristické spektrum. To umožnilo vytvoriť druh elementárnej analýzy - atómovú spektrálnu analýzu, pomocou ktorej je možné kvantitatívne určiť obsah rôznych prvkov vo vzorke látky rozloženej na atómy alebo ióny v plameni alebo v elektrickom oblúku. Ešte pred vytvorením kvantitatívnej verzie tejto metódy bola úspešne použitá na „elementárnu analýzu“ nebeských telies. Spektrálna analýza už v minulom storočí pomohla študovať zloženie Slnka a iných hviezd, ako aj objaviť niektoré prvky, najmä hélium.

Pomocou spektrálnej analýzy bolo možné rozlíšiť nielen rôzne chemické prvky, ale aj izotopy toho istého prvku, ktoré zvyčajne poskytujú rôzne spektrá. Metóda sa používa na analýzu izotopového zloženia látok a je založená na rôznych posunoch energetických hladín molekúl s rôznymi izotopmi.

Röntgenové lúče, pomenované po nemeckom fyzikovi W. Roentgenovi, ktorý ich objavil v roku 1895, sú jednou z častí s najkratšou vlnovou dĺžkou celého spektra elektromagnetických vĺn, ktoré sa v ňom nachádzajú medzi ultrafialovým svetlom a gama žiarením. Keď sú röntgenové lúče absorbované atómami, dochádza k excitácii hlboko usadených elektrónov, ktoré sa nachádzajú v blízkosti jadra a sú naň obzvlášť silne viazané. Emisia röntgenových lúčov atómami je naopak spojená s prechodmi hlbokých elektrónov z excitovaných energetických hladín na bežné, stacionárne.

Tieto aj ďalšie úrovne môžu mať iba presne definované energie v závislosti od náboja atómového jadra. To znamená, že rozdiel medzi týmito energiami, rovný energii absorbovaného (alebo emitovaného) kvanta, závisí aj od náboja jadra a žiarenia každého chemický prvok v röntgenovej oblasti spektra je súbor vĺn charakteristických pre daný prvok s presne definovanými frekvenciami kmitov.

Práve na využití tohto javu je založená röntgenová spektrálna analýza, druh elementárnej analýzy. Je široko používaný na analýzu rúd, minerálov, ako aj komplexných anorganických a organoprvkových zlúčenín.

Existujú aj iné typy spektroskopie založené nie na žiarení, ale na absorpcii svetelných vĺn látkou. Takzvané molekulové spektrá sa pozorujú spravidla vtedy, keď roztoky látok absorbujú viditeľné, ultrafialové alebo infračervené svetlo; nedochádza k rozkladu molekúl. Ak viditeľné alebo ultrafialové svetlo zvyčajne pôsobí na elektróny a núti ich stúpať na nové, excitované energetické hladiny (pozri Atóm), potom infračervené (tepelné) lúče, ktoré nesú menej energie, vybudia iba vibrácie vzájomne prepojených atómov. Preto sú informácie, ktoré tieto typy spektroskopie poskytujú chemikom, odlišné. Ak sa z infračerveného (vibračného) spektra dozvedia o prítomnosti určitých skupín atómov v látke, potom spektrá v ultrafialovej (a pre farebné látky - vo viditeľnej) oblasti nesú informáciu o štruktúre skupiny absorbujúcej svetlo. ako celok.

Spomedzi organických zlúčenín je základom takýchto zoskupení spravidla systém nenasýtených väzieb (pozri Nenasýtené uhľovodíky). Čím viac dvojitých alebo trojitých väzieb v molekule sa strieda s jednoduchými (inými slovami, čím dlhší je konjugačný reťazec), tým ľahšie sú elektróny excitované.

Metódy molekulárnej spektroskopie sa používajú nielen na určenie štruktúry molekúl, ale aj na presné meranie množstva známej látky v roztoku. Na to sú vhodné najmä spektrá v ultrafialovej alebo viditeľnej oblasti. Absorpčné pásy v tejto oblasti sa zvyčajne pozorujú pri koncentráciách rozpustenej látky rádovo v stotinách a dokonca tisícinách percenta. Špeciálnym prípadom takejto aplikácie spektroskopie je metóda kolorimetrie, ktorá je široko používaná na meranie koncentrácie farebných zlúčenín.

Atómy niektorých látok sú tiež schopné pohlcovať rádiové vlny. Táto schopnosť sa prejaví, keď sa látka umiestni do poľa silného permanentného magnetu. Mnohé atómové jadrá majú svoj vlastný magnetický moment - spin a v magnetickom poli sa jadrá s nerovnakou orientáciou spinu ukážu ako energeticky „nerovné“. Tie, ktorých smer rotácie sa zhoduje so smerom superponovaného magnetické pole, upadnú do priaznivejšej pozície a iné orientácie začnú vo vzťahu k nim hrať úlohu „excitovaných stavov“. To neznamená, že jadro, ktoré je vo výhodnom spinovom stave, nemôže prejsť do / „vzrušené“; rozdiel v energiách spinových stavov je veľmi malý, ale stále je percento jadier v nepriaznivom energetickom stave pomerne malé. A je čím menšie, tým výkonnejšie je superponované pole. Zdá sa, že jadrá oscilujú medzi dvoma energetickými stavmi. A keďže frekvencia takýchto kmitov zodpovedá frekvencii rádiových vĺn, je možná aj rezonancia - absorpcia energie striedavého prúdu elektromagnetického poľa so zodpovedajúcou frekvenciou, čo vedie k prudkému zvýšeniu počtu jadier v excitovanom stave.

Toto je základ pre činnosť spektrometrov nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR), schopných detegovať v látke prítomnosť tých atómových jadier, ktorých spin je 1/2: vodík 1H, lítium 7Li, fluór 19F, fosfor 31P, ako aj izotopy uhlíka 13C, dusíka 15N, kyslíka 17O atď.

Citlivosť takýchto zariadení je tým vyššia, čím je permanentný magnet výkonnejší. Úmerne k sile magnetického poľa sa zvyšuje aj rezonančná frekvencia potrebná na vybudenie jadier. Slúži ako miera triedy zariadenia. Spektrometre strednej triedy pracujú na frekvencii 60-90 MHz (pri zaznamenávaní protónových spektier); chladnejšie - na frekvencii 180, 360 a dokonca 600 MHz.

Spektrometre vysoká trieda- veľmi presné a zložité prístroje - umožňujú nielen detekovať a kvantitatívne merať obsah konkrétneho prvku, ale aj rozlíšiť signály atómov zaujímajúcich chemicky "nerovnaké" polohy v molekule. A štúdiom takzvanej spin-spin interakcie, ktorá vedie k rozdeleniu signálov do skupín úzkych čiar pod vplyvom magnetického poľa susedných jadier, sa možno dozvedieť veľa zaujímavých vecí o atómoch obklopujúcich jadro pod štúdium. NMR spektroskopia umožňuje získať 70 až 100 % informácií potrebných napríklad na stanovenie štruktúry komplexnej organickej zlúčeniny.

Ďalší typ rádiovej spektroskopie - elektrónová paramagnetická rezonancia (EPR) - je založený na skutočnosti, že nielen jadrá, ale aj elektróny majú spin rovný 1/2. EPR spektroskopia - Najlepšia cestaštúdium častíc s nepárovými elektrónmi – voľnými radikálmi. Podobne ako NMR spektrá, aj EPR spektrá umožňujú dozvedieť sa veľa nielen o samotnej „signalizačnej“ častici, ale aj o povahe atómov, ktoré ju obklopujú. Prístroje na EPR spektroskopiu sú veľmi citlivé: roztok obsahujúci niekoľko sto miliónov mólu voľných radikálov na liter zvyčajne úplne postačuje na zaznamenanie spektra. A prístroj s rekordnou citlivosťou, ktorý nedávno vytvorila skupina sovietskych vedcov, je schopný zistiť prítomnosť iba 100 radikálov vo vzorke, čo zodpovedá ich koncentrácii približne 10 -18 mol/l.

Spektrálna analýza - súbor metód pre kvalitatívne a kvantifikácia zloženie objektu, založené na štúdiu spektier interakcie hmoty so žiarením, vrátane spektier elektromagnetického žiarenia, akustických vĺn, hmotnostných a energetických rozložení elementárnych častíc a pod.

V závislosti od účelu analýzy a typov spektier existuje niekoľko metód spektrálnej analýzy:

Emisná spektrálna analýza - fyzikálna metóda na základe štúdia emisných spektier pár analytu (emisné alebo radiačné spektrá) vznikajúcich pod vplyvom silných zdrojov budenia (elektrický oblúk, vysokonapäťová iskra); táto metóda umožňuje určiť elementárne zloženie látky, t.j. posúdiť, ktoré chemické prvky sú zahrnuté v zložení danej látky.

Plamenová spektrofotometria alebo plameňová fotometria, čo je typ emisnej spektrálnej analýzy, je založená na štúdiu emisných spektier prvkov analytu, vznikajúcich vplyvom mäkkých zdrojov excitácie. Pri tejto metóde sa analyzovaný roztok strieka do plameňa. Táto metóda umožňuje posúdiť obsah v analyzovanej vzorke najmä alkalických kovov a kovov alkalických zemín, ako aj niektorých ďalších prvkov, ako je gálium, indium, tálium, olovo, mangán, meď, fosfor.

Poznámka. Okrem plameňovej emisnej fotometrie sa používa absorpčná fotometria, nazývaná aj atómová absorpčná spektroskopia alebo atómová absorpčná spektrofotometria. Je založená na schopnosti voľných atómov kovov v plameňových plynoch absorbovať svetelnú energiu pri vlnových dĺžkach charakteristických pre každý prvok. Touto metódou je možné stanoviť antimón, bizmut, selén, zinok, ortuť a niektoré ďalšie prvky, ktoré nie sú stanovené plameňovou emisnou fotometriou.

Absorpčná spektroskopia je založená na štúdiu absorpčných spektier látky, čo je jej individuálna charakteristika. Existuje spektrofotometrická metóda založená na stanovení absorpčného spektra alebo meraní absorpcie svetla (v ultrafialovej aj vo viditeľnej a infračervenej oblasti spektra) pri presne definovanej vlnovej dĺžke (monochromatické žiarenie), ktorá zodpovedá maximu absorpčnej krivky. danej skúmanej látky, ako aj fotokolorimetrická metóda, založená na stanovení absorpčného spektra alebo meraní absorpcie svetla vo viditeľnej oblasti spektra.

Na rozdiel od spektrofotometrie fotokolorimetrická metóda využíva „biele“ svetlo alebo „biele“ svetlo, ktoré predtým prešlo cez širokopásmové filtre.

Metóda analýzy založená na spektrách Ramanovho rozptylu svetla. Metóda využíva jav, ktorý súčasne objavili sovietski fyzici G. S. Landsberg a L. I. Mandelstam a indický fyzik C. V. Raman. Tento jav je spojený s absorpciou monochromatického žiarenia látkou a následnou emisiou nového žiarenia, ktoré sa vlnovou dĺžkou líši od absorbovaného.

Turbidimetria je založená na meraní intenzity svetla absorbovaného nezafarbenou suspenziou tuhej látky. Pri turbidimetrii sa intenzita svetla absorbovaného alebo prechádzajúceho cez roztok meria rovnakým spôsobom ako pri fotokolorimetrii farebných roztokov.

Nefelometria je založená na meraní intenzity svetla odrazeného alebo rozptýleného farebnou alebo nesfarbenou suspenziou pevnej látky (suspendovaný sediment v danom médiu).

Luminiscenčná alebo fluorescenčná metóda analýzy je založená na meraní intenzity viditeľného svetla emitovaného látkami (fluorescencia) pri ožiarení ultrafialovými lúčmi.

10) Medzi optické metódy analýzy patrí aj refraktometrická metóda, založená na meraní indexu lomu, a polarometrická metóda, založená na štúdiu rotácie roviny polarizácie.

Tmavé čiary na spektrálnych pruhoch boli zaznamenané už dávno, ale prvý seriózny výskum týchto čiar vykonal až v roku 1814 Josef Fraunhofer. Na jeho počesť bol efekt pomenovaný Fraunhofer Lines. Fraunhofer zisťoval stabilitu polohy línií, zostavil ich tabuľku (spolu napočítal 574 riadkov), každej priradil alfanumerický kód. Nemenej dôležitý bol jeho záver, že čiary nie sú spojené ani s optickým materiálom, ani so zemskou atmosférou, ale sú prirodzenou charakteristikou slnečného svetla. Podobné čiary našiel v umelých svetelných zdrojoch, ako aj v spektrách Venuše a Síria.

Čoskoro sa ukázalo, že jedna z najjasnejších čiar sa vždy objaví v prítomnosti sodíka. V roku 1859 G. Kirchhoff a R. Bunsen po sérii experimentov dospeli k záveru, že každý chemický prvok má svoje jedinečné čiarové spektrum a spektrum nebeských telies možno použiť na vyvodenie záverov o zložení ich hmoty. Od tej chvíle sa vo vede objavila spektrálna analýza, výkonná metóda na diaľkové určovanie chemického zloženia.

Na otestovanie metódy zorganizovala Parížska akadémia vied v roku 1868 expedíciu do Indie, kde prichádzalo úplné zatmenie Slnka. Tam vedci zistili: v čase zatmenia, keď emisné spektrum zmenilo absorpčné spektrum slnečnej koróny, všetky tmavé čiary sa podľa predpovede rozjasnili. tmavé pozadie.

Postupne sa objasňovala povaha každej z línií, ich súvislosť s chemickými prvkami. V roku 1860 Kirchhoff a Bunsen pomocou spektrálnej analýzy objavili cézium a v roku 1861 rubídium. A hélium bolo objavené na Slnku o 27 rokov skôr ako na Zemi (1868 a 1895).

Princíp činnosti

Atómy každého chemického prvku majú presne definované rezonančné frekvencie, v dôsledku čoho práve na týchto frekvenciách vyžarujú alebo absorbujú svetlo. To vedie k tomu, že v spektroskope spektrá zobrazujú čiary (tmavé alebo svetlé). určité miesta charakteristické pre každú látku. Intenzita čiar závisí od množstva hmoty a jej stavu. Pri kvantitatívnej spektrálnej analýze sa obsah testovanej látky určuje relatívnou alebo absolútnou intenzitou čiar alebo pásov v spektrách.

Optická spektrálna analýza sa vyznačuje relatívnou jednoduchosťou implementácie, absenciou komplexnej prípravy vzoriek na analýzu a malým množstvom látky (10–30 mg) potrebným na analýzu na veľké číslo prvkov.

Atómové spektrá (absorpcia alebo emisia) sa získajú prevedením látky do parného stavu zahriatím vzorky na 1000-10000 °C. Ako zdroje excitácie atómov pri emisnej analýze vodivých materiálov sa používa iskra, oblúk striedavého prúdu; zatiaľ čo vzorka je umiestnená v kráteri jednej z uhlíkových elektród. Plamene alebo plazmy rôznych plynov sa široko používajú na analýzu roztokov.

Aplikácia

V poslednej dobe sa najviac využívajú emisné a hmotnostné spektrometrické metódy spektrálnej analýzy založené na excitácii atómov a ich ionizácii v argónovej plazme indukčných výbojov, ako aj v laserovej iskre.

Spektrálna analýza je citlivá metóda a je široko používaná v analytickej chémii, astrofyzike, metalurgii, strojárstve, geologickom prieskume a iných vedných odboroch.

V teórii spracovania signálov spektrálna analýza tiež znamená analýzu rozloženia energie signálu (napríklad zvuku) cez frekvencie, vlnové čísla atď.

Zaujímalo vás niekedy, odkiaľ vieme o vlastnostiach vzdialených nebeských telies?

Určite viete, že za takéto znalosti vďačíme spektrálnej analýze. Prínos tejto metódy k pochopeniu samej však často podceňujeme. Vznik spektrálnej analýzy prevrátil mnohé zavedené paradigmy o štruktúre a vlastnostiach nášho sveta.

Vďaka spektrálnej analýze máme predstavu o rozsahu a veľkosti vesmíru. Vďaka nemu sme prestali obmedzovať vesmír na Mliečnu dráhu. Spektrálna analýza nám odhalila veľké množstvo hviezd, povedala nám o ich zrode, vývoji a smrti. Táto metóda je základom takmer všetkých moderných a dokonca budúcich astronomických objavov.

Dozviete sa o nedosiahnuteľnom

Pred dvoma storočiami sa všeobecne uznávalo, že chemické zloženie planét a hviezd pre nás zostane navždy záhadou. Z pohľadu tých rokov zostanú vesmírne objekty pre nás vždy nedostupné. V dôsledku toho nikdy nedostaneme skúšobnú vzorku žiadnej hviezdy alebo planéty a nikdy nebudeme vedieť o ich zložení. Objav spektrálnej analýzy túto mylnú predstavu úplne vyvrátil.

Spektrálna analýza vám umožňuje vzdialene sa dozvedieť o mnohých vlastnostiach vzdialených objektov. Prirodzene, bez takejto metódy je moderná praktická astronómia jednoducho bezvýznamná.

Čiary na dúhe

Tmavé čiary na spektre Slnka si všimol už v roku 1802 vynálezca Wollaston. Samotný objaviteľ sa však týmito riadkami nijako zvlášť nepozastavil. Ich rozsiahlu štúdiu a klasifikáciu vykonal v roku 1814 Fraunhofer. V priebehu svojich experimentov si všimol, že Slnko, Sírius, Venuša a umelé svetelné zdroje majú svoj vlastný súbor čiar. To znamenalo, že tieto čiary závisia výlučne od zdroja svetla. Nie sú ovplyvnené zemskou atmosférou ani vlastnosťami optického prístroja.

Povahu týchto línií objavil v roku 1859 nemecký fyzik Kirchhoff spolu s chemikom Robertom Bunsenom. Vytvorili spojenie medzi čiarami v spektre Slnka a emisnými čiarami pary rôzne látky. Urobili teda revolučný objav, že každý chemický prvok má svoj vlastný súbor spektrálnych čiar. Preto sa žiarením akéhokoľvek objektu dá dozvedieť o jeho zložení. Tak sa zrodila spektrálna analýza.

V priebehu nasledujúcich desaťročí bolo vďaka spektrálnej analýze objavených mnoho chemických prvkov. Patrí medzi ne hélium, ktoré bolo prvýkrát objavené na Slnku, podľa čoho dostal aj svoj názov. Preto bol spočiatku považovaný výlučne za slnečný plyn, až o tri desaťročia neskôr bol objavený na Zemi.

Tri typy spektra

Čo vysvetľuje toto správanie spektra? Odpoveď spočíva v kvantovej povahe žiarenia. Ako viete, keď atóm absorbuje elektromagnetickú energiu, jeho vonkajší elektrón prejde na vyššiu energetickú úroveň. Podobne aj so žiarením - na nižšiu. Každý atóm má svoj vlastný rozdiel v úrovni energie. Z toho vyplýva jedinečná frekvencia absorpcie a emisie pre každý chemický prvok.

Práve pri týchto frekvenciách vyžaruje a vyžaruje plyn. Pevné a kvapalné telesá zároveň pri zahrievaní vyžarujú celé spektrum, nezávisle od ich chemického zloženia. Preto sa výsledné spektrum delí na tri typy: spojité, čiarové spektrum a absorpčné spektrum. Podľa toho pevné a kvapalné telesá vyžarujú spojité spektrum, plyny vyžarujú čiarové spektrum. Absorpčné spektrum sa pozoruje, keď je plynulé žiarenie absorbované. Inými slovami, viacfarebné čiary na tmavom pozadí čiarového spektra budú zodpovedať tmavým čiaram na viacfarebnom pozadí absorpčného spektra.

Je to absorpčné spektrum, ktoré sa pozoruje na Slnku, zatiaľ čo zohriate plyny vyžarujú žiarenie s čiarovým spektrom. Vysvetľuje to skutočnosť, že fotosféra Slnka, hoci je to plyn, nie je priehľadná pre optické spektrum. Podobný obraz možno pozorovať aj u iných hviezd. Zaujímavé je, že počas plnej zatmenie Slnka Spektrum Slnka sa stáva lineárnym. V tomto prípade skutočne pochádza z priehľadného vonkajšie vrstvy jej .

Princípy spektroskopie

Optická spektrálna analýza je v technickom prevedení pomerne jednoduchá. Základom jeho práce je rozklad žiarenia skúmaného objektu a ďalší rozbor výsledného spektra. Isaac Newton vykonal v roku 1671 pomocou skleneného hranolu prvý „oficiálny“ rozklad svetla. Do vedeckého používania zaviedol aj slovo „spektrum“. V skutočnosti si Wollaston rozložil svetlo rovnakým spôsobom a všimol si čierne čiary na spektre. Na tomto princípe fungujú aj spektrografy.

Rozklad svetla môže prebiehať aj pomocou difrakčných mriežok. Ďalšiu analýzu svetla možno vykonať rôznymi metódami. Spočiatku na to slúžila pozorovacia trubica, potom kamera. Dnes je výsledné spektrum analyzované vysoko presnými elektronickými prístrojmi.

Doteraz sme hovorili o optickej spektroskopii. Moderná spektrálna analýza však nie je obmedzená na tento rozsah. V mnohých oblastiach vedy a techniky sa používa spektrálna analýza takmer všetkých typov elektromagnetických vĺn – od rádiových po röntgenové lúče. Prirodzene, takéto štúdie sa vykonávajú rôznymi metódami. Bez rôzne metódy spektrálnej analýzy by sme nepoznali modernú fyziku, chémiu, medicínu a samozrejme astronómiu.

Spektrálna analýza v astronómii

Ako už bolo uvedené, štúdium spektrálnych čiar začalo zo Slnka. Preto nie je prekvapujúce, že štúdium spektier okamžite našlo svoje uplatnenie v astronómii.

Samozrejme, prvá vec, ktorú astronómovia urobili, bolo použiť túto metódu na štúdium zloženia hviezd a iných vesmírnych objektov. Každá hviezda má teda svoju vlastnú spektrálnu triedu, ktorá odráža teplotu a zloženie ich atmosféry. Známe boli aj parametre atmosféry planét slnečná sústava. Astronómovia sa priblížili k pochopeniu podstaty plynových hmlovín, ako aj mnohých iných nebeských objektov a javov.

Pomocou spektrálnej analýzy sa však možno dozvedieť nielen o kvalitatívnom zložení objektov.

Zmerajte rýchlosť

Dopplerov jav v astronómii Dopplerov jav v astronómii

Dopplerov jav teoreticky vyvinul rakúsky fyzik v roku 1840, po ktorom bol pomenovaný. Tento efekt možno pozorovať počúvaním klaksónu prechádzajúceho vlaku. Výška klaksónu prichádzajúceho vlaku sa bude výrazne líšiť od klaksónu odchádzajúceho vlaku. Približne týmto spôsobom bol teoreticky dokázaný Dopplerov jav. Výsledkom je, že pre pozorovateľa je vlnová dĺžka pohybujúceho sa zdroja skreslená. Zvyšuje sa, keď sa zdroj vzďaľuje a klesá, keď sa približuje. Elektromagnetické vlny majú podobnú vlastnosť.

Keď sa zdroj vzďaľuje, všetky tmavé pásy v jeho emisnom spektre sa posúvajú smerom k červenej strane. Tie. všetky vlnové dĺžky sa zväčšujú. Rovnakým spôsobom, keď sa zdroj priblíži, posunú sa na fialovú stranu. Stal sa tak vynikajúcim doplnkom spektrálnej analýzy. Teraz bolo možné naučiť sa z čiar v spektre to, čo sa predtým zdalo nemožné. Zmerajte rýchlosť vesmírneho objektu, vypočítajte orbitálne parametre dvojhviezd, rýchlosti rotácie planét a mnoho ďalšieho. Efekt červeného posunu zohral v kozmológii osobitnú úlohu.

Objav amerického vedca Edwina Hubbla je porovnateľný s vývojom heliocentrického systému sveta Kopernikom. Skúmaním jasnosti cefeíd v rôznych hmlovinách dokázal, že mnohé z nich sa nachádzajú oveľa ďalej ako Mliečna dráha. Porovnaním získaných vzdialeností zo spektier galaxií objavil Hubble svoj slávny zákon. Vzdialenosť ku galaxiám je podľa neho úmerná rýchlosti ich odstraňovania od nás. Hoci jeho zákon je trochu odlišný od moderné nápady Hubbleov objav rozšíril rozsah vesmíru.

Spektrálna analýza a moderná astronómia

Dnes sa takmer žiadne astronomické pozorovania neuskutočňujú bez spektrálnej analýzy. S jeho pomocou objavujte nové exoplanéty a rozširujte hranice vesmíru. Spektrometre nesú rovery a medziplanetárne sondy, vesmírne teleskopy a výskumné satelity. V skutočnosti by bez spektrálnej analýzy neexistovala moderná astronómia. Naďalej by sme hľadeli do prázdneho beztvárneho svetla hviezd, o ktorých by sme nič nevedeli.

Aplikácia spektrálnej analýzy

Spektrálna analýza je metóda, ktorá poskytuje cenné a najrozmanitejšie informácie o nebeských telesách. Umožňuje vám určiť z analýzy svetla kvalitatívne a kvantitatívne chemické zloženie svietidla, jeho teplotu, prítomnosť a silu magnetického poľa, rýchlosť pohybu pozdĺž línie pohľadu a oveľa viac.

Spektrálna analýza je založená na rozklade bieleho svetla na jeho zložky. Ak sa lúč svetla umiestni na bočnú stranu trojstenného hranola, potom lúče, ktoré tvoria biele svetlo, sa v skle lámu rôznymi spôsobmi, vytvoria na obrazovke dúhový pásik nazývaný spektrum. V spektre sú všetky farby vždy usporiadané v určitom poradí.

Ako viete, svetlo sa šíri vo forme elektromagnetických vĺn. Každá farba zodpovedá určitej vlnovej dĺžke elektromagnetických vĺn. Vlnová dĺžka v spektre klesá z červenej na fialovú od približne 0,7 do 0,4 mikrónu. Za fialovými lúčmi spektra leží ultrafialové lúče, okom neviditeľné, no pôsobiace na fotografickú platňu. Röntgenové lúče majú ešte kratšie vlnové dĺžky. Röntgenové žiarenie nebeských telies, dôležité pre pochopenie ich podstaty, je oneskorené zemskou atmosférou.

Za červenými lúčmi spektra je oblasť infračervených lúčov. Sú neviditeľné, ale pôsobia aj na špeciálnych fotografických platniach. Spektrálne pozorovania sú zvyčajne chápané ako pozorovania v rozsahu od infračerveného po ultrafialové lúče.

Na štúdium spektier sa používajú prístroje nazývané spektroskop a spektrograf. Spektrum sa skúma spektroskopom a fotografuje sa spektrografom. Fotografia spektra sa nazýva spektrogram.

Existujú nasledujúce typy spektier:

Súvislé alebo spojité spektrum vo forme dúhového pásu je dané pevnými a kvapalnými žeravými telesami (uhlie, vlákno elektrickej lampy) a pomerne hustými masami plynu.

Čiarové spektrum žiarenia je produkované riedkymi plynmi a parami pri silnom zahriatí alebo pri pôsobení elektromagnetického výboja. Každý plyn vyžaruje presne definovaný súbor vlnových dĺžok a dáva čiarové spektrum charakteristické pre daný chemický prvok. Silné zmeny skupenstva plynu alebo podmienok jeho žiary, ako je zahrievanie alebo ionizácia, spôsobujú určité zmeny v spektre daného plynu.

Boli zostavené tabuľky so zoznamom čiar každého plynu a s uvedením jasu každej čiary. Napríklad v spektre sodíka sú dve žlté čiary obzvlášť jasné.

Zistilo sa, že spektrum atómu alebo molekuly súvisí s ich štruktúrou a odráža určité zmeny, ktoré sa v nich vyskytujú počas procesu žiary.

Čiarové absorpčné spektrum vytvárajú plyny a pary, keď je za nimi jasný a teplejší zdroj, čím vzniká spojité spektrum. Absorpčné spektrum je spojité spektrum, pretínané tmavými čiarami, ktoré sa nachádzajú práve na miestach, kde by sa mali nachádzať jasné čiary obsiahnuté v tomto plyne.

Emisia spektier umožňuje analýzu chemického zloženia plynov, ktoré vyžarujú svetlo alebo ho absorbujú, bez ohľadu na to, či sú v laboratóriu alebo na nebeskom telese. Počet atómov alebo molekúl ležiacich na našej línii pohľadu, emitujúcich alebo absorbujúcich, je určený intenzitou čiar. Čím viac atómov, tým jasnejšia alebo tmavšia je čiara v absorpčnom spektre. Slnko a hviezdy sú obklopené plynnými atmosferickými absorpčnými čiarami, ktoré vznikajú pri prechode svetla cez hviezdnu atmosféru. Preto sú spektrá Slnka a hviezd absorpčné.

Je potrebné mať na pamäti, že spektrálna analýza umožňuje určiť chemické zloženie iba samosvietivých plynov alebo plynov absorbujúcich žiarenie. Chemické zloženie pevné telo nie je možné určiť spektrálnou analýzou.