Спектральные приборы

Общие характеристики. Спектральные приборы предназначены для анализа сложного излучения, непосредственно излучаемого различными телами или преобразованного в результате взаимодействия излучения с веществом. Эти исследования проводятся в широком диапазоне длин волн от далекой ультрафиолетовой области до миллиметровых радиоволн.

Спектральные приборы позволяют:

a) разложить исследуемое излучение в спектр, т.е. расположить по длинам волн излучение, которое попадает на вход прибора;

b) зафиксировать положение отдельных участков спектра или отдельных спектральных линий;

c) измерить интенсивность какого-либо участка спектра или спектральной линии.

По положению линий в спектре, т.е. по длинам волн, можно судить об уровнях энергии и внутреннем строении атомов и молекул, а по интенсивности линий – о вероятностях переходов между отдельными уровнями. Интенсивность спектральных линий определяется также числом излучающих атомов и молекул, что дает возможность определить содержание отдельных элементов и молекулярных соединений в исследуемом веществе. По форме контура спектральных линий можно сделать заключение о характере взаимодействия между частицами, о влиянии электрических и магнитных полей, а также о температуре, при которой происходит излучение. Таким образом, спектральные приборы исследуют излучение как сигнал, посылаемый в определенных условиях веществом и дающий информацию о его строении.

Различают атомный и молекулярный спектральный анализ. В обоих случаях анализ может проводиться по спектрам излучения и тогда он называется эмиссионным. Анализ по спектрам поглощения именуется абсорбционным.

Спектры излучения атомов обычно получаются при высокой температуре источника света, при которой происходит испарение вещества, расщепление его молекул на отдельные атомы и возбуждение атомов.

При исследовании спектров важно, чтобы в процессе анализа молекулы не изменили своей структуры. Спектры молекул можно изучать и в излучении, и в поглощении. Спектры сложных молекул легче изучать в поглощении, так как при этом они не распадаются.

При абсорбционном анализе свет от источника со сплошным спектром пропускают через исследуемое вещество. При этом часть световой энергии будет избирательно поглощаться атомами или молекулами вещества. В результате на фоне сплошного спектра появятся темные линии и полосы поглощения. По положению, структуре и коэффициенту поглощения этих линий можно узнать состав и строение исследуемого вещества.

Принципиальная схема спектрального прибора и назначение отдельных узлов. Спектральный прибор состоит из трех основных частей: осветительной, диспергирующей и приемно-регистрирующей.

Осветительная часть включает источник излучения и фокусирующую оптику, при помощи которой освещается узкая входная щель прибора.

Спектральная часть состоит из входной щели, диспергирующей и фокусирующей систем (рис.2).

Входная щель (3 на рис.2) является вторичным источником немонохроматического света или “предметом” по отношению ко всей последующей оптической части прибора. Изображение щели, разложенное диспергирующей системой по длинам волн и сфокусированное на выходе прибора и представляет собой наблюдаемый спектр источника излучения.

В принципе спектральный прибор можно построить и без входной щели, используя в качестве предмета непосредственно источник излучения. Но все реальные источники имеют значительные размеры и после разложения в спектр их монохроматические изображения частично наложатся друг на друга и их невозможно будет различать. Чтобы избежать этого, на пути лучей ставится узкая щель и ее монохроматические изображения получаются в виде резких линий. Именно форме изображения щели в свете той или иной длины волны обязано появление термина «спектральная линия».

Рис. 2. Оптическая схема призменного спектрального прибора:

1 - источник света – исследуемое вещество;

2 - конденсорная линза;

3 - узкая входная щель;

4 - коллимирующий объектив;

5 - призма – диспергирующий элемент;

6 - фокусирующий объектив;

7 - фокальная плоскость – плоскость формирования спектра излучения.

Однако уменьшать ширину щели разумно лишь до определенного предела, обусловленного дифракцией, ниже которого дальнейшее ее сужение уже приводит не к уменьшению ширины спектральных линий, а, наоборот, к увеличению. Этот предел называется нормальной шириной щели и равен

S_H = f₁λ/D, (2)

где D – диаметр пучка света, падающего на призму, а затем на фокусирующий объектив.

При любой ширине щели S ≥ S_H дифракционными явлениями на ней можно пренебречь и рассматривать ход лучей в приборе по законам геометрической оптики.

Часть прибора, включающая щель 3 и первый по ходу лучей объектив 4 на рис.2, называется коллиматором. Его назначение – создать параллельные пучки лучей. Поэтому щель всегда ставится в фокусе объектива, а сам объектив должен быть ахроматическим, т.е. его фокусное расстояние не должно зависеть от длины волны.

Для получения максимальной интенсивности спектра объектив коллиматора должен быть полностью заполнен светом. Это достигается специальным выбором условий освещения щели.

Источник света с большой равномерной излучающей поверхностью можно расположить непосредственно перед щелью. Если угловая ширина источника α (рис.2), не меньше углового размера коллимирующего объектива β, то коллиматор заполнен светом. При этом никакая осветительная система не может увеличить световой поток, приходящий в прибор. Из условия α = β (рис.2) следует, что источник диаметром d должен располагаться от щели (2) на расстоянии

l = f₁d/D (3)

Если источник света мал или по техническим причинам его нельзя расположить близко к щели, чтобы выполнялось условие (3), пользуются линзовыми осветительными системами, формирующими изображение источника на входной щели спектрального прибора, как показано на рис. 2. В этом случае в условии (3) d – диаметр апертуры конденсорной линзы, l – расстояние от линзы до входной щели.