Глава 3. Спектральные методы исследования веществ

Важную информацию о строении и свойствах вещества получают при исследовании уровней энергии атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, квантовых переходов между уровнями энергии методами спектроскопии.

Спектроскопия – изучение спектров взаимодействия излучения (в том числе электромагнитного излучения, акустических волн и т. д.) с веществом.

Прямая задача спектроскопии – предсказание вида спектра веще- ства исходя из знаний о его строении, составе и т. д.

Обратная задача спектроскопии – определение характеристик ве- щества (не являющихся непосредственно наблюдаемыми величинами) по свойствам его спектров (которые наблюдаются непосредственно и напрямую зависят как от определяемых характеристик, так и от внеш- них факторов).

Деление спектроскопии может быть произведено по различным признакам.

По диапазонам длин (или частот) электромагнитных волн (рис. 3.1) в спектроскопии выделяют: радиоспектроскопию, охватывающую всю область радиоволн; оптическую спектроскопию, изучающую оптиче- ские спектры и содержащую инфракрасную спектроскопию; спектро- скопию видимого излучения и ультрафиолетовую спектроскопию; рент- геновскую спектроскопию и гамма-спектроскопию.

Рис. 3.1. Шкала частот электромагнитных волн

26

Специфика каждого из этих разделов спектроскопии основана на особенностях электромагнитных волн соответствующего диапазона и методах их исследования. В радиоспектроскопии применяются радио- технические методы, в рентгеновской – методы исследования рентге- новских лучей, в гамма-спектроскопии – экспериментальные методы ядерной физики, в оптической спектроскопии – оптические методы в сочетании с методами современной радиоэлектроники.

По свойствам атомных систем выделяют: ядерную спектроскопию (уровни энергии атомных ядер и пе-

реходы между этими уровнями); атомную спектроскопию (электронные уровни энергии ато-

мов и переходы между ними); молекулярную спектроскопию (электронные, колебательные и

вращательные уровни молекул и переходы между ними); спектроскопию конденсированных систем – кристаллов,

аморфных тел, жидкостей (уровни энергии этих сложных систем и пе- реходы между ними, например, спектроскопия кристаллов).

Классификация спектрального анализа по решаемым задачам: элементный (состав пробы по элементам); изотопный (состав пробы по изотопам); молекулярный (молекулярный состав пробы); структурный (все или основные структурные составляющие

молекулярного соединения). По характеру получаемых результатов выделяют: качественный (определение состава – количественное соот-

ношение по оценке – много, мало, очень мало, следы); полуколичественный (оценка содержания компонентов в опре-

деленных интервалах концентраций, например для сортировки металла, оценки геологических проб);

количественный (точное количественное содержание элемен- тов в пробе).

По применяемым методам выделяют следующие виды спектраль- ного анализа:

эмиссионный (спектры излучения атомов; в пламени – опреде- ление состава радикалов; анализ молекулярного состава);

абсорбционный (спектры поглощения молекул и их структур- ных частей);

комбинационный (спектры комбинационного рассеяния при возбуждении монохроматическим излучением);

27

люминесцентный (люминесценция пробы при возбуждении УФ и X-Ray);

рентгеновский: рентгеновские спектры атомов (переходы внутренних e

– ); дифракция X-Ray (структура вещества);

радиоспектроскопический: спектры поглощения молекул в микроволновом участке спектра с λ > 1 мм; спектры поглощения моле- кул в радиоволновом участке спектра (ЯМР);

атомно-ионизационный (возбуждение пробы лазером и реги- страция заряда ионов);

особую область исследований представляет ядерная спектро- скопия, в которую включают гамма- (относится к спектрометрии элек- тромагнитного излучения), альфа- и бета-спектроскопии.

По способу регистрации спектров выделяют: визуальные (наблюдение спектров). В видимой области (спек-

троскопы (стилоскоп, стилометр). В УФ области флуоресцирующие экраны. В ИК области – ЭОПы (до 1200 нм);

фотографические (фотоматериалы с последующей обработ- кой);

фотоэлектрические (методы прямого анализа – фотоэлементы и ФЭУ для УФ, видимой и ближней ИК-областей, фотосопротивления – средняя ИК-область);

термоэлектрические (термоэлементы, болометры для далекой ИК области).

Кроме того, в соответствии с различием конкретных эксперимен- тальных методов выделяют и отдельные разделы спектрометрии. Например, в оптической – интерференционную спектроскопию, осно- ванную на использовании интерференции и применении интерферомет- ров; вакуумную спектроскопию; лазерную, основанную на применении лазеров. Одним из разделов ультрафиолетовой и рентгеновской спек- трометрии является фотоэлектронная спектроскопия, основанная на анализе энергий электронов, вырываемых из вещества при поглощении ультрафиолетовых и рентгеновских фотонов.

В качестве источников возбуждения в спектральном анализе рас- сматриваются:

пламя (достоинства – высокая стабильность температуры; вы- сокая точность измерений ~ 3 %; недостатки – относительно невысокие температуры (2000–5000 °С); преимущественное использование в атом- ной абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии);

28

дуга (дуговой разряд неустойчивый; перемещение катодных и анодных пятен по поверхности электродов; воспроизводимость резуль- татов невелика);

искра (области использования: анализ трудновозбудимых эле- ментов, изучение излучения ионов, исследование локального анализа образца, неразрушающий анализ образцов);

тлеющий разряд (малая температура, ионная ~ 800 K, элек- тронная ~ 1000 K); малое допплеровское уширение; возможность по- слойного анализа, послойное разрешение до 0,1 мкм, глубина ~ 100 мкм);

плазмотрон (достоинства – температура ~ 50000 С при высо- кой стабильности);

индуктивно связанная плазма (температура ~ 10000 К, в ана- литической зоне ~ 6500 К; малые химические помехи; минимальная ре- абсорбция – плазма оптически тонкая; низкий спектральный фон).