التحليل الطيفي عبارة عن مجموعة من الأساليب النوعية والتحليلية تحديد الكمياتتكوين الجسم، بناءً على دراسة أطياف تفاعل المادة مع الإشعاع، بما في ذلك أطياف الإشعاع الكهرومغناطيسي، والموجات الصوتية، وتوزيع كتل وطاقات الجسيمات الأولية، وما إلى ذلك.
اعتماداً على أغراض التحليل وأنواع الأطياف، يتم التمييز بين عدة طرق للتحليل الطيفي:
التحليل الطيفي للانبعاث - الطريقة الفيزيائية، بناءً على دراسة أطياف انبعاث أبخرة المادة التي تم تحليلها (أطياف الانبعاث أو الإشعاع) الناشئة تحت تأثير مصادر الإثارة القوية (القوس الكهربائي، شرارة الجهد العالي)؛ تتيح هذه الطريقة تحديد التركيب العنصري للمادة، أي الحكم على ماهيتها العناصر الكيميائيةهي جزء من هذه المادة.
يعتمد القياس الطيفي للهب، أو قياس اللهب الضوئي، وهو نوع من التحليل الطيفي للانبعاث، على دراسة أطياف الانبعاث لعناصر المادة التي تم تحليلها، والتي تنشأ تحت تأثير مصادر الإثارة الناعمة. في هذه الطريقة، يتم رش المحلول المراد تحليله في اللهب. هذه الطريقة تجعل من الممكن الحكم على محتوى القلوية بشكل رئيسي و المعادن الأرضية القلويةبالإضافة إلى بعض العناصر الأخرى، مثل الغاليوم، والإنديوم، والثاليوم، والرصاص، والمنغنيز، والنحاس، والفوسفور.
ملحوظة. بالإضافة إلى القياس الضوئي لانبعاث اللهب، يتم استخدام القياس الضوئي للامتصاص أيضًا، ويسمى أيضًا التحليل الطيفي للامتصاص الذري أو القياس الطيفي للامتصاص الذري. ويعتمد على قدرة ذرات المعدن الحرة في غازات اللهب على امتصاص الطاقة الضوئية عند الأطوال الموجية المميزة لكل عنصر. يمكن لهذه الطريقة تحديد الأنتيمون والبزموت والسيلينيوم والزنك والزئبق وبعض العناصر الأخرى التي لا يمكن تحديدها بواسطة القياس الضوئي لانبعاث اللهب.
يعتمد التحليل الطيفي للامتصاص على دراسة أطياف الامتصاص للمادة، وهي خصائصها الفردية. هناك طريقة طيفية تعتمد على تحديد طيف الامتصاص أو قياس امتصاص الضوء (سواء في الأشعة فوق البنفسجية أو في المناطق المرئية أو تحت الحمراء من الطيف) عند طول موجي محدد بدقة (إشعاع أحادي اللون)، والذي يتوافق مع الحد الأقصى لمنحنى الامتصاص لمادة معينة قيد الدراسة، بالإضافة إلى طريقة القياس اللوني الضوئي، التي تعتمد على تحديد طيف الامتصاص أو قياس امتصاص الضوء في الجزء المرئي من الطيف.
على عكس القياس الطيفي، تستخدم طريقة القياس اللوني الضوئي الضوء "الأبيض" أو الضوء "الأبيض" الذي تم تمريره مسبقًا عبر مرشحات النطاق العريض.
طريقة التحليل باستخدام أطياف رامان. تستخدم الطريقة ظاهرة تم اكتشافها في وقت واحد الفيزيائيون السوفييتجي إس لاندسبيرج و إل آي ماندلستام والفيزيائي الهندي سي في رامان. ترتبط هذه الظاهرة بامتصاص المادة للإشعاع أحادي اللون وما يتبع ذلك من انبعاث إشعاع جديد يختلف في الطول الموجي عن الإشعاع الممتص.
يعتمد قياس التعكر على قياس شدة الضوء التي يمتصها تعليق غير ملون من مادة صلبة. في قياس التعكر شدة الضوءيتم قياس المحلول الذي يتم امتصاصه أو تمريره من خلاله بنفس الطريقة المستخدمة في القياس اللوني الضوئي للحلول الملونة.
يعتمد قياس الكلى على قياس شدة الضوء المنعكس أو المتناثر بواسطة تعليق ملون أو غير ملون من المادة الصلبة (الرواسب المعلقة في وسط معين).
تعتمد طريقة تحليل الانارة أو الفلورسنت على قياس شدة الضوء المرئي (التألق) المنبعث من المواد عند تشعيعها بالأشعة فوق البنفسجية.
10) تشمل طرق التحليل الضوئية أيضًا طريقة قياس الانكسار، التي تعتمد على قياس معامل الانكسار، وطريقة الاستقطاب، التي تعتمد على دراسة دوران مستوى الاستقطاب.
تمت ملاحظة الخطوط الداكنة في الخطوط الطيفية لفترة طويلة، لكن أول دراسة جادة لهذه الخطوط تم إجراؤها فقط في عام 1814 على يد جوزيف فراونهوفر. تكريما له، كان التأثير يسمى "خطوط فراونهوفر". أثبت فراونهوفر استقرار مواضع الخطوط، وقام بتجميع جدول بها (أحصى إجمالي 574 سطرًا)، وخصص رمزًا أبجديًا رقميًا لكل منها. ولم يكن أقل أهمية هو استنتاجه بأن الخطوط لا ترتبط بالمادة البصرية أو بالجسم الغلاف الجوي للأرضولكنها خاصية طبيعية لأشعة الشمس. اكتشف خطوطًا مماثلة في مصادر الضوء الاصطناعي، وكذلك في أطياف الزهرة وسيريوس.
وسرعان ما أصبح واضحًا أن أحد أوضح الخطوط يظهر دائمًا في وجود الصوديوم. في عام 1859، خلص G. Kirchhoff و R. Bunsen، بعد سلسلة من التجارب، إلى أن كل عنصر كيميائي له طيف خطي فريد خاص به، ووفقًا للطيف الأجرام السماويةيمكن استخلاص استنتاجات حول تكوين مادتها. منذ تلك اللحظة ظهر التحليل الطيفي في العلوم، وهو وسيلة قوية لتحديد التركيب الكيميائي عن بعد.
ولاختبار هذه الطريقة، نظمت أكاديمية باريس للعلوم في عام 1868 رحلة استكشافية إلى الهند، حيث كان سيحدث كسوف كلي للشمس. وهناك اكتشف العلماء: أن جميع الخطوط المظلمة في لحظة الكسوف، عندما حل طيف الانبعاث محل طيف الامتصاص للهالة الشمسية، أصبحت، كما كان متوقعا، مشرقة على خلفية داكنة.
تم توضيح طبيعة كل خط وارتباطه بالعناصر الكيميائية تدريجياً. في عام 1860، اكتشف كيرشوف وبونسن السيزيوم باستخدام التحليل الطيفي، وفي عام 1861، اكتشف الروبيديوم. وتم اكتشاف الهيليوم في الشمس قبل 27 عامًا من اكتشافه على الأرض (1868 و1895 على التوالي).
مبدأ التشغيل
تحتوي ذرات كل عنصر كيميائي على ترددات رنين محددة بدقة، ونتيجة لذلك تنبعث أو تمتص الضوء عند هذه الترددات. وهذا يؤدي إلى حقيقة أنه في المطياف تظهر خطوط (داكنة أو فاتحة) على الأطياف في أماكن معينة مميزة لكل مادة. تعتمد شدة الخطوط على كمية المادة وحالتها. في التحليل الطيفي الكمي، يتم تحديد محتوى المادة قيد الدراسة من خلال الشدة النسبية أو المطلقة للخطوط أو النطاقات في الأطياف.
ويتميز التحليل الطيفي البصري بسهولة التنفيذ النسبية، وعدم وجود تحضير معقد للعينة للتحليل، وكمية صغيرة من المادة (10-30 ملغ) اللازمة لتحليل عدد كبير من العناصر.
يتم الحصول على الأطياف الذرية (الامتصاص أو الانبعاث) عن طريق تحويل المادة إلى حالة بخار عن طريق تسخين العينة إلى 1000-10000 درجة مئوية. تُستخدم الشرارة أو قوس التيار المتردد كمصادر لإثارة الذرات في تحليل انبعاث المواد الموصلة؛ وفي هذه الحالة، يتم وضع العينة في حفرة أحد أقطاب الكربون. تُستخدم النيران أو البلازما من الغازات المختلفة على نطاق واسع لتحليل المحاليل.
طلب
في الآونة الأخيرة، أصبحت طرق التحليل الطيفي للانبعاثات والطيف الكتلي، القائمة على إثارة الذرات وتأينها في بلازما الأرجون للتصريفات التعريفية، وكذلك في شرارة الليزر، أكثر انتشارًا.
التحليل الطيفي - طريقة حساسةويستخدم على نطاق واسع في الكيمياء التحليلية والفيزياء الفلكية والمعادن والهندسة الميكانيكية والاستكشاف الجيولوجي وفروع العلوم الأخرى.
في نظرية معالجة الإشارات، يعني التحليل الطيفي أيضًا تحليل توزيع طاقة الإشارة (على سبيل المثال، الصوت) على الترددات، وأرقام الموجات، وما إلى ذلك.
في القرن السابع عشر، كانت تدل على مجموع كل قيم أي كمية فيزيائية. الطاقة، الكتلة، الإشعاع البصري. هذا هو الأخير الذي نقصده غالبًا عندما نتحدث عن طيف الضوء. على وجه التحديد، طيف الضوء عبارة عن مجموعة من حزم الإشعاع البصري ذات الترددات المختلفة، والتي يمكننا رؤية بعضها كل يوم في العالم من حولنا، في حين أن بعضها لا يمكن الوصول إليه بالعين المجردة. حسب إمكانية الإدراك بالعين البشريةينقسم طيف الضوء إلى أجزاء مرئية وغير مرئية. وهذا الأخير يتعرض بدوره للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.
أنواع الأطياف
هناك أيضا أنواع مختلفةأطياف. هناك ثلاثة منها، اعتمادًا على الكثافة الطيفية لكثافة الإشعاع. يمكن أن تكون الأطياف متواصلة أو خطية أو مخططة. يتم تحديد أنواع الأطياف باستخدام
الطيف المستمر
يتم تشكيل طيف مستمر عن طريق تسخينه إلى درجة حرارة عالية المواد الصلبةأو الغازات كثافة عالية. يعد قوس قزح الشهير المكون من سبعة ألوان مثالًا مباشرًا للطيف المستمر.
الطيف الخطي
يمثل أيضًا أنواع الأطياف ويأتي من أي مادة تكون في الحالة الذرية الغازية. ومن المهم أن نلاحظ هنا أنه موجود في المستوى الذري وليس الجزيئي. يضمن هذا الطيف تفاعلًا منخفضًا للغاية بين الذرات مع بعضها البعض. وبما أنه لا يوجد أي تفاعل، فإن الذرات تبعث موجات لها نفس الطول بشكل دائم. مثال على هذا الطيف هو توهج الغازات المسخنة إلى درجة حرارة عالية.
طيف الفرقة
يمثل الطيف المخطط بصريًا نطاقات فردية، محددة بوضوح بفواصل زمنية داكنة إلى حد ما. علاوة على ذلك، فإن كل نطاق من هذه النطاقات ليس إشعاعًا بتردد محدد بدقة، ولكنه يتكون من عدد كبير من خطوط الضوء الموجودة بالقرب من بعضها البعض. مثال على هذه الأطياف، كما في حالة الأطياف الخطية، هو توهج الأبخرة عند درجة حرارة عالية. ومع ذلك، لم تعد يتم إنشاؤها بواسطة الذرات، ولكن بواسطة الجزيئات التي لها رابطة مشتركة وثيقة للغاية، والتي تسبب مثل هذا التوهج.
طيف الامتصاص
ومع ذلك، فإن أنواع الأطياف لا تنتهي عند هذا الحد. بالإضافة إلى ذلك، هناك نوع آخر يعرف بطيف الامتصاص. في التحليل الطيفي، يكون طيف الامتصاص عبارة عن خطوط داكنة على خلفية طيف مستمر، وبشكل أساسي، يعد طيف الامتصاص تعبيرًا عن الاعتماد على معدل امتصاص المادة، والذي يمكن أن يكون مرتفعًا إلى حد ما.
على الرغم من وجود مجموعة واسعة من الأساليب التجريبية لقياس أطياف الامتصاص. الأكثر شيوعًا هي التجربة التي يتم فيها تمرير شعاع الإشعاع المتولد عبر غاز مبرد (بحيث لا يكون هناك تفاعل بين الجزيئات، وبالتالي توهج)، وبعد ذلك يتم تحديد شدة الإشعاع الذي يمر عبره. يمكن استخدام الطاقة المنقولة لحساب الامتصاص.
التحليل الطيفيمقسمة إلى عدة طرق مستقلة. من بينها: التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، والامتصاص الذري، وتحليل التلألؤ والفلورسنت، والتحليل الطيفي الانعكاسي والرامان، والقياس الطيفي، والتحليل الطيفي للأشعة السينية، بالإضافة إلى عدد من الطرق الأخرى.
يعتمد التحليل الطيفي للامتصاص على دراسة أطياف الامتصاص الاشعاع الكهرومغناطيسي. يتم إجراء التحليل الطيفي للانبعاث باستخدام أطياف الانبعاث للذرات أو الجزيئات أو الأيونات المثارة طرق مختلفة.
التحليل الطيفي للانبعاث الذري
غالبًا ما يُطلق على التحليل الطيفي اسم التحليل الطيفي للانبعاث الذري فقط، والذي يعتمد على دراسة أطياف الانبعاث للذرات والأيونات الحرة في الطور الغازي. يتم تنفيذه في نطاق الطول الموجي 150-800 نانومتر. يتم إدخال عينة من المادة قيد الدراسة إلى مصدر الإشعاع، وبعد ذلك يحدث تبخر وتفكك الجزيئات فيه، وكذلك إثارة الأيونات الناتجة. إنها تنبعث منها إشعاعات يتم تسجيلها بواسطة جهاز التسجيل الخاص بالجهاز الطيفي.
العمل مع سبكترا
تتم مقارنة أطياف العينات مع أطياف العناصر المعروفة، والتي يمكن العثور عليها في جداول الخطوط الطيفية المقابلة. هذه هي الطريقة التي يتم بها تحديد تركيبة المادة التي يتم تحليلها. يتضمن التحليل الكمي تركيز عنصر معين في الحليلة. ويتم التعرف عليه من خلال حجم الإشارة، على سبيل المثال، من خلال درجة السواد أو الكثافة البصرية للخطوط الموجودة على لوحة فوتوغرافية، أو من خلال شدة تدفق الضوء على جهاز الاستقبال الكهروضوئي.
أنواع الأطياف
يتم توفير طيف مستمر من الإشعاع بواسطة المواد الموجودة في المواد الصلبة أو الحالة السائلةوكذلك الغازات الكثيفة. لا توجد فواصل في مثل هذا الطيف؛ يتم تمثيل موجات من جميع الأطوال فيه. لا تعتمد شخصيتها على خصائص الذرات الفردية فحسب، بل تعتمد أيضًا على تفاعلها مع بعضها البعض.
يتميز طيف الانبعاث الخطي للمواد الموجودة في الحالة الغازية، بينما لا تتفاعل الذرات تقريبًا مع بعضها البعض. والحقيقة هي أن الذرات المعزولة لعنصر كيميائي واحد تنبعث منها موجات ذات طول موجي محدد بدقة.
ومع زيادة كثافة الغاز، تبدأ الخطوط الطيفية في الاتساع. لمراقبة مثل هذا الطيف، يتم استخدام وهج تفريغ الغاز في أنبوب أو بخار مادة في اللهب. إذا تم تمرير الضوء الأبيض عبر غاز غير باعث، ستظهر خطوط داكنة في طيف الامتصاص على خلفية الطيف المستمر للمصدر. يمتص الغاز بكثافة ضوء تلك الأطوال الموجية التي ينبعث منها عند تسخينه.
منذ اكتشاف "التحليل الطيفي"، كثر الجدل حول هذا المصطلح. أولاً المبدأ الفيزيائي للتحليل الطيفييتضمن طريقة لتحديد التركيب العنصري لعينة من طيف مرصود، والذي تم استثارته في بعض مصادر اللهب ذات درجة الحرارة العالية، أو الشرارة، أو القوس.
في وقت لاحق، بدأ فهم التحليل الطيفي على أنه طرق أخرى للدراسة التحليلية وإثارة الأطياف:
- طرق نثر رامان
- طرق الامتصاص والتألق.
وفي نهاية المطاف، تم اكتشاف أطياف الأشعة السينية وأطياف جاما. ولذلك يصح عند الحديث عن التحليل الطيفي أن نقصد مجموع الكل الأساليب الموجودة. ومع ذلك، في كثير من الأحيان يتم استخدام ظاهرة تحديد الأطياف في فهم طرق الانبعاث.
طرق التصنيف
خيار التصنيف الآخر هو التقسيم إلى دراسات جزيئية (تحديد التركيب الجزيئي للعينة) ودراسات أولية (تحديد التركيب الذري) للأطياف.
تعتمد الطريقة الجزيئية على دراسة أطياف الامتصاص وتشتت رامان والتلألؤ. يتم تحديد التركيب الذري من أطياف الإثارة في الينابيع الساخنة (يتم تدمير الجزيئات بشكل رئيسي) أو من الدراسات الطيفية للأشعة السينية. لكن مثل هذا التصنيف لا يمكن أن يكون صارما، لأنه في بعض الأحيان تتزامن كلتا الطريقتين.
تصنيف طرق التحليل الطيفي
بناءً على المشكلات التي يتم حلها بالطرق الموضحة أعلاه، تنقسم دراسة الأطياف إلى طرق تستخدم لدراسة السبائك والغازات والخامات والمعادن والمنتجات النهائية والمعادن النقية وما إلى ذلك. كل كائن تمت دراسته له خاصته السمات المميزةوالمعايير. اتجاهان رئيسيان لتحليل الطيف:
- نوعي
- كمي
ما تمت دراسته خلالهم، سننظر فيه أكثر.
رسم تخطيطي لطرق التحليل الطيفي
التحليل الطيفي النوعي
يعمل التحليل النوعي على تحديد العناصر التي تتكون منها العينة التي تم تحليلها. ومن الضروري الحصول على طيف العينة المثارة في مصدر ما، ومن الخطوط الطيفية المكتشفة لتحديد العناصر التي تنتمي إليها. وهذا سيوضح مما تتكون العينة. تعقيد التحليل النوعي- هذا عدد كبير منالخطوط الطيفية على المخطط الطيفي التحليلي، والتي يتطلب فك تشفيرها وتحديد هويتها عمالة كثيفة وغير دقيقة.التحليل الطيفي الكمي
تعتمد طريقة التحليل الطيفي الكمي على حقيقة أن شدة الخط التحليلي تزداد مع زيادة محتوى العنصر الذي يتم تحديده في العينة. يعتمد هذا الاعتماد على العديد من العوامل التي يصعب حسابها عدديا. ولذلك، فمن المستحيل عمليا إقامة علاقة بين كثافة الخط وتركيز العنصر من الناحية النظرية.
ولذلك، يتم إجراء قياسات نسبية لشدة نفس الخط الطيفي عندما يتغير تركيز العنصر الذي يتم تحديده. وبالتالي، إذا ظلت ظروف الإثارة وتسجيل الأطياف دون تغيير، فإن طاقة الإشعاع المقاسة تتناسب مع شدتها. إن قياس هذه الطاقة (أو القيمة المعتمدة عليها) يمنحنا العلاقة التجريبية التي نحتاجها بين القيمة المقاسة وتركيز العنصر في العينة.
حاول كيرشوف وبونسن أولًا إجراء التحليل الطيفي في عام 1859. قام الاثنان بإنشاء مطياف يشبه الأنبوب غير المنتظم. على جانب واحد كان هناك ثقب (موجز) سقطت فيه أشعة الضوء قيد الدراسة. كان هناك منشور داخل الأنبوب، وهو يحرف الأشعة ويوجهها نحو ثقب آخر في الأنبوب. عند الإخراج، تمكن الفيزيائيون من رؤية الضوء متحللًا إلى طيف.
قرر العلماء إجراء تجربة. بعد أن أظلموا الغرفة وغطوا النافذة بستائر سميكة، أشعلوا شمعة بالقرب من شق الموازاة، ثم أخذوا قطعًا من مواد مختلفة وأدخلوها في لهب الشمعة، ولاحظوا ما إذا كان الطيف قد تغير. واتضح أن الأبخرة الساخنة لكل مادة تعطي أطيافاً مختلفة! نظرًا لأن المنشور يفصل الأشعة بشكل صارم ولم يسمح لها بالتداخل مع بعضها البعض، فقد كان من الممكن تحديد المادة بدقة من الطيف الناتج.
قام كيرشوف بعد ذلك بتحليل طيف الشمس، واكتشف وجود عناصر كيميائية معينة في الغلاف اللوني للشمس. أدى هذا إلى ظهور الفيزياء الفلكية.
مميزات التحليل الطيفي
لإجراء التحليل الطيفي، يلزم وجود كمية صغيرة جدًا من المادة. هذه الطريقة حساسة للغاية وسريعة للغاية، مما يسمح ليس فقط باستخدامها لمجموعة واسعة من الاحتياجات، ولكن أيضًا يجعلها في بعض الأحيان لا يمكن الاستغناء عنها. من المعروف على وجه اليقين أن كل جدول دوري يصدر طيفًا خاصًا له وحده، لذلك، مع إجراء تحليل طيفي بشكل صحيح، يكاد يكون من المستحيل ارتكاب خطأ.
أنواع التحليل الطيفي
يمكن أن يكون التحليل الطيفي ذريًا أو جزيئيًا. خلال التحليل الذريومن الممكن، وفقا لذلك، تحديد التركيب الذري للمادة، ومن خلال التركيب الجزيئي - التركيب الجزيئي.
هناك طريقتان لقياس الطيف: الانبعاث والامتصاص. يتم إجراء التحليل الطيفي للانبعاث من خلال دراسة الطيف الذي تنبعث منه الذرات أو الجزيئات المختارة. للقيام بذلك، يحتاجون إلى إعطاء الطاقة، أي إثارة. تحليل الامتصاصعلى العكس من ذلك، يتم إجراؤها على طول طيف الامتصاص للدراسة الكهرومغناطيسية التي تستهدف الأجسام.
ومن خلال التحليل الطيفي يمكن قياس مجموعة متنوعة من خصائص مختلفةالمواد والجزيئات أو حتى كبيرة الهيئات المادية(على سبيل المثال، الأجسام الفضائية). ولهذا السبب يتم تقسيم التحليل الطيفي إلى أساليب مختلفة. للحصول على النتيجة المطلوبة لمهمة محددة، تحتاج إلى تحديد المعدات بشكل صحيح، والطول الموجي لدراسة الطيف، وكذلك المنطقة الطيفية نفسها.