Спектрлердi зерттеу құралдары

Атомның (молекуланың) энергетикалық күйiнiң өзгерiсi жарық кванттарының (фотондардың) шығарылуы немесе жұтылуымен қабат жүредi. hv фотон энергиясы электромагниттiк тербелiстер шкаласындағы спектрлiк сызық орнын, ал фотон саны - оның интенсивтiгiн анықтайды. Спектрлiк приборлар (аспаптар) көмегiмен спектрдi және спектрлiк сызықтардың интенсивтiгiн зерттеу арқылы атомдардың (молекулалардың) энергетикалық күйлерi жайында мол мәлiмет алуға және зат концентрациясын анықтауға болады.

Спектрлiк талдау зерттеулерi үшiн қолданылатын эксперименттiк қондырғы үш негiзгi элементтен тұрады: спектрдi қоздыру көзi, спектрлiк прибор, спектрдi тiркеушi бөлiк.

Талдау жасалатын зат спектрдi қоздыру көзiнде әйтеуiр бiр амалмен бу күйiне келтiрiледi және осы зат буы жарық шығаратындай қоздырылады.

Зат буынан шығарылған жарық спектрлiк құралға бағытталады, мұнда ол кеңiстiк бойынша монохроматтық құраушыларға жiктелiп, толқын ұзындықтары бойынша реттелiп орналасқан спектр алынады. Зерттелетiн зат спектрiн көзбен қарауға, фотографиялық немесе фотоэлектрлiк тәсiлмен тiркеуге болады. Фотопластинкаға түсiрiлген спектр спектрограмма деп аталады.

Спектрдi қоздыру көзi. Атомдарды қоздыру және иондау амалдары

Атомды қоздыру үшiн, яғни Е₀ негiзгi күйде тұрған атомды қайсыбiр Е₁ қозған күйге дейiн, немесе оны Е₁ қозған күйден жоғарырақ қозған Е₂ күйге дейiн ауыстыру үшiн соқтығысатын электронның Е_кин кинетикалық энергиясы (Е₁-Е₀) немесе (Е₂-Е₁) тиiстi шамалардан кем болмауы тиiс: Е_кин ³(Е₁-Е₀), Е_кин ³(Е₂-Е₁).

Атоммен соқтығысқанда, егер электронның Е_кин кинетикалық энергиясы берiлген элементтiң Е_и иондану энергиясына тең не одан артық (Е_кин>Е_и) болған жағдайда атомның иондануы мүмкiн.

Оптикалық спектрлердi қоздыру үшiн жалын, электрлiк доға, ұшқын және басқа электр разряды түрлерi қолданылады.

Бұларда электрондар бiрнеше мың тiптi бiрнеше он мың К температура қабылдайды, ал зерттелетiн зат атомдық газға айналады. Электрондар бейберекет қозғалатындықтан, бұлардың кинетикалық энергиясы болады (k- Больцман тұрақтысы). Осындай жағдайда бөлшектер әртүрлi жылдамдыққа ие болады: қоздыруға қабілетсiз баяу электрондар да, барлық элементтердiң атомдарын қоздыру үшiн жеткiлiктi, бiрнеше эВ энергиясы бар, өте жылдам электрондар да болады. Температура өскен сайын жеткiлiктi жоғары энергиялары бар электрондардың салыстырмалы саны арта түседi, ал атомдарды қоздыру үшiн жеткiлiксiз энергия қоры бар баяу электрондар үлесi кемидi. Атомдардың қоздыру энергиясы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым электрондар температурасы жоғары болуға тиiс; бұл осы процестiң тиiмдi өтуi үшін қажет.

Спектрдi қоздырудың қандай көзiн қолдану атқарылатын жұмыстың нақты мақсатына және жарық көзiнiң бiзге қажеттi спектрдi шығару мүмкiндiгiмен анықталады. Оқу лабораториясы жағдайында спектрдi қоздырудың ыңғайлы және қауiпсiз түрі ретiнде доғалық генератордан алынатын айнымалы ток доғасы жарық көзi ретiнде қолданылады.

1.2-сурет. Айнымалы ток доғасы генераторының электрлiк схемасы:

1.2-суретте айнымалы токтың доғалық разрядын алуға арналған генератордың принциптiк электрлiк схемасы келтiрiлген.

Доғалық разряд температурасы разрядтық аралықтағы плазма құрамына тәуелдi және әдетте 4000-7000 К шамасында болады. Доғада барлық белгiлi зат буланады және химиялық элементтердiң басым көпшiлiгiнiң негiзiнен бейтарап атомдары қоздырылады. Доғалық разрядты алу үшін тұрақты ток та, айнымалы ток та қолданылады. Айнымалы ток доғасының активтендiрiлген генераторлары пайдаланылады. Мұнда разрядтық аралықтың периодты түрде иондануы, демек, доғалық разрядты периодты түрде (ток жиiлiгi 50 Гц болғанда, секундына 100 рет) тұтандыру жоғары жиiлiктi қосалқы ұшқын көмегiмен iске асырылады.

Спектрлiк прибор. Атомдық спектрлiк талдау үшін көбiнесе дисперсиялық спектрлiк приборлар қолданылады, бұлардың басты элементi- призма немесе дифракциялық тор.

Дисперсиялық приборлардың оптикалық схемасы. Дисперсиялық приборлар үш негiзгi бөлiктен тұрады (1.3.- сурет) : I- коллиматор, II- дисперсиялаушы элемент, III- фокустаушы обьективi бар камералық бөлiк.

1.3-сурет

Спектр фотографиялық тiркелетiн прибор - спектрограф, көзбен тiркелетiн - стилоскоп, фотоэлектрлiк тiркелетiн- спектрометр деп аталады.

Спектрлiк прибордағы сәулелер жолы 1.3.-суретте келтiрiлген. 1-жарық көзi; 3-саңылау; 4-коллиматорлық обьектив; 5- призма; 7- фокустаушы (камералық) обьективтiң фокальдық жазықтығы (l₁<l₂<l₃).

ИСП-28(30) спектрографында дисперсиялаушы элемент- Карню призмасы, коллиматор-айналы обьективтен және саңлаудан тұрады. Параллель шоқ алу үшін 5 саңлау айналы обьективтiң фокус жазықтығына орналастырылады. Барлық толқын ұзындықтары үшін коллиматорлық обьективтiң фокус қашықтығы бiрдей, f₁=703мм. Коллиматорлық обьективке түсетін жарық шоғының оптикалық осi мен коллиматорлық обьективтен шағылған шоқтың оптикалық осi арасындағы бұрыш 2⁰17¢. Камера екi кварц линзадан және кассетадан тұрады. Фотографиялық тiркелетiн спектрлiк сызықтар- спектрографтың оптикалық жүйесi түзетiн, оның саңылауының монохромат кескiндерi болып табылады. Саңылаудың осы монохроматтық кескiндер жиынтығы спектр деп аталады.

Камералық обьективтiң f₂ фокус қашықтығы жарықтың толқын ұзындығына тәуелдi. l=257,3нм толқын ұзындығы үшін f₂=830 мм. Саңылауды жарықтандыру үшін үш линзалы конденсорлық жүйе қолданылады, мұның қызметiн 1.4-суреттен көруге болады.

1.4-сурет. Спектрлiк талдау үшін эксперименттiк қондырғының оптикалық схемасы (а), үш линзалы жарықтандыру жүйесiндегi сәулелер жолы (б): 1-жарық көзi және электродтар; 2-кварц пластина; 3,5,6-линзалар; 4-диафрагма; 7-Гартман диафрагмасы; 8-спектрограф саңылауы; 9-коллиматор айнасы; 10-призма; 11-камералық объектив; 12-фотопластинка; 13-электр доғасы генераторы; 14-жалғау тетiгi.

Саңылаудағы барабан саңлау енiн 0,001мм дәлдiкпен өзгертуге арналған. Саңылаудан төмен обьективтi юстировка жасау механизмi орналастырылған. Спектрлердi бiр пластинкаға түсіру үшін және белгiлi спектрден зерттелетiн спектрге ауысқан кезде пластинканы жылжытпау үшін арнаулы диафрагма қолданылады (1.5-сурет).

1.5-сурет

Осы диафрагма спектрографтың саңлауы алдына арнайы қуысқа кiргiзiледi және оны спектрографтың оптикалық осiне перпендикуляр бағытта жылжытуға болады, осындай диафрагма көмегiмен саңылаудың биiктiгiн шектеумен қатар, оның әр түрлi бөлiктерiн жарықтандыруғада болады.

Спектрограф миллиметрлiк шкаламен жабдықталған; мұны фотопластинкаға спектрмен бiрге түсірiп алуға болады. Осы миллиметрлiк шкаланы эталондық спектр жәрдемiмен толқын ұзындығы бiрлiгiнде градуировкалауға болады. Әдетте осындай эталондық спектр ретiнде толқын ұзындықтары үлкен дәлдiкпен өлшенген көп спектрлiк сызықтары бар темiр спектрi қолданылады.

Спектрограмманы қарауға және сызықтардың ара қашықтықтарын өлшеуге арналған аспаптар, өлшеуiш микроскоп

Спектрограмманы зерттеу үшін элементтердiң спектрлiк сызықтарының атласы қолданылады. Экранға проекцияланған спектрограммадағы темiр спектрiн планшеттегi темiр спектрiмен сәйкестендiрiп беттестiредi. Сызықтың толқын ұзындығы атлас бойынша тiкелей анықталады.

Спектрлiк сызықтарға дәл өлшеу жүргізу үшін МИР-12 өлшеуiш микроскопы қолданылады.

Өлшеуiш микроскоптарда үлкейткiш трубаны немесе өлшенетiн спектрограмманы жылжыту микрометрлiк бұранданың толық айналым санымен өлшенедi. 1.7-суретте өлшеуiш микроскоп көрсетiлген. Өлшенетiн спектрограмма үстелге (1) бекiтiледi, бұранданың (3) басын (дөңгелегiн) айналдырған кезде микроскоп (2) орын ауыстырады. Айналымның толық саны шкала (4) бойынша саналады. Миллиметрдiң жүздiк бөлiгiн бұранданың басындағы сызықшалар көрсетедi. Өлшеу дәлдiгi »0,01 мм.

Сызықтың орнын дұрыс өлшеу үшін оны микроскоптың окулярында көрiнетiн қылдар жүйесiне қатысты орналастыра бiлу керек. Микроскоптардың әр түрінде қылдар әр түрлi орналасқан болады. 1.8-суретте кескiнделгендей жүйе көбiрек ұшырасады. 1.8-суретте микроскоптағы қылдар жүйесiне қатысты сызықты қалай орналастыру керектiгi көрсетiлген. Микроскопты бiр бағытта жылжытып (бұранда басын айналдыру арқылы) оны өлшенетiн және салыстыратын белгiлi сызықтарға («нормаль») туралап қою арқылы сызықтардың ара қашықтықтарын өлшеу жүргiзiледi.

1.6-сурет 1.7-сурет. Сызықты окулярлық қылдар

жүйесiне туралау: а-окулярлық қылдар;

б-жiңiшке сызықты орналастыру;

в-жуан сызықтың орналасуы;

г-жұтылу сызығыныңорналасуы.

1-жаттығу. Спектрограмма алу. Темiр спектрiмен танысу, спектрлiк сызықтарды теңдестiру.