La composition spectrale du rayonnement des substances est très diversifiée. Mais malgré cela, tous les spectres, comme le montre l'expérience, peuvent être divisés en plusieurs types :
Spectres continus. Le spectre solaire ou spectre lumineux de l’arc est continu. Cela signifie que le spectre contient des ondes de toutes longueurs d'onde. Il n’y a aucune interruption dans le spectre et une bande multicolore continue est visible sur l’écran du spectrographe.
Répartition de l'énergie par fréquence, c'est-à-dire densité spectrale de l'intensité du rayonnement, différente pour différents corps. Par exemple, un corps avec une surface très noire émet ondes électromagnétiques toutes les fréquences, mais la courbe de dépendance de la densité spectrale de l'intensité du rayonnement sur la fréquence a un maximum à une certaine fréquence. L’énergie du rayonnement aux très basses et très hautes fréquences est négligeable. Avec l’augmentation de la température, la densité spectrale maximale du rayonnement se déplace vers des ondes plus courtes.
Les spectres continus (ou continus), comme le montre l'expérience, sont donnés par des corps à l'état solide ou liquide, ainsi que par des gaz hautement comprimés. Pour obtenir un spectre continu, le corps doit être chauffé à haute température.
La nature du spectre continu et le fait même de son existence sont déterminés non seulement par les propriétés des atomes émetteurs individuels, mais dépendent également dans une large mesure de l'interaction des atomes les uns avec les autres.
Un spectre continu est également produit par le plasma à haute température. Les ondes électromagnétiques sont émises par le plasma principalement lorsque des électrons entrent en collision avec des ions.
Spectres de raies. Mettons-le dans la flamme pâle brûleur à gaz un morceau d'amiante humidifié avec une solution de sel de table ordinaire.
Lorsque vous observez une flamme à travers un spectroscope, une ligne jaune vif clignote sur le fond du spectre continu à peine visible de la flamme. Cette ligne jaune est produite par la vapeur de sodium, qui se forme lorsque les molécules de sel de table sont décomposées dans une flamme. Chacun d'eux est une palissade de lignes colorées de luminosité variable, séparées par de larges rayures sombres. De tels spectres sont appelés spectres de raies. La présence d'un spectre de raies signifie qu'une substance n'émet de la lumière qu'à certaines longueurs d'onde (plus précisément, dans certains intervalles spectraux très étroits). Chaque ligne a une largeur finie.
Les spectres de raies donnent toutes les substances à l’état atomique gazeux (mais pas moléculaire). Dans ce cas, la lumière est émise par des atomes qui n'interagissent pratiquement pas les uns avec les autres. Il s’agit du type de spectre le plus fondamental et le plus basique.
Les atomes isolés émettent des longueurs d'onde strictement définies. Habituellement, pour observer les spectres de raies, on utilise la lueur de la vapeur d'une substance dans une flamme ou la lueur d'une décharge de gaz dans un tube rempli du gaz étudié.
À mesure que la densité du gaz atomique augmente, les raies spectrales individuelles s'étendent et, enfin, avec une compression très élevée du gaz, lorsque l'interaction des atomes devient significative, ces raies se chevauchent, formant un spectre continu.
Spectres rayés. Le spectre en bandes se compose de bandes individuelles séparées par des espaces sombres. A l'aide d'un très bon appareil spectral, on peut découvrir que chaque bande représente une collection grand nombre lignes très rapprochées. Contrairement aux spectres linéaires, les spectres rayés ne sont pas créés par des atomes, mais par des molécules qui ne sont pas liées ou faiblement liées les unes aux autres.
Pour observer les spectres moléculaires, ainsi que pour observer les spectres de raies, on utilise généralement la lueur d'une vapeur dans une flamme ou la lueur d'une décharge gazeuse.
Spectres d'absorption. Toutes les substances dont les atomes sont dans un état excité émettent des ondes lumineuses dont l'énergie est répartie d'une certaine manière sur les longueurs d'onde. L'absorption de la lumière par une substance dépend également de la longueur d'onde. Ainsi, le verre rouge transmet les ondes correspondant à la lumière rouge et absorbe toutes les autres.
Si vous faites passer de la lumière blanche à travers un gaz froid et non émetteur, des lignes sombres apparaissent sur le fond du spectre continu de la source. Le gaz absorbe plus intensément la lumière des longueurs d'onde qu'il émet lorsqu'il est fortement chauffé. Les lignes sombres sur fond d'un spectre continu sont des lignes d'absorption qui forment ensemble un spectre d'absorption. Il existe des spectres d'émission continus, linéaires et rayés et le même nombre de types de spectres d'absorption.
Les spectres de raies jouent un rôle particulier rôle important, car leur structure est directement liée à la structure de l’atome. Après tout, ces spectres sont créés par des atomes qui ne subissent aucune expérience. influences extérieures. Ainsi, en nous familiarisant avec les spectres de raies, nous faisons ainsi le premier pas vers l’étude de la structure des atomes. En observant ces spectres, les scientifiques ont pu « regarder » l’intérieur de l’atome. Ici, l’optique entre en contact étroit avec la physique atomique.
L'article parle de la définition et des types de spectres, met en évidence les domaines d'application de la spectroscopie et décrit également l'étude d'une substance solide inconnue et les types de spectres utilisés à cet effet.
Qu’est-ce que le spectre ?
En général, sous cette forme, cette question incite le lecteur à se souvenir des leçons de physique et des formules interminables. Cependant, ce concept recouvre une variété beaucoup plus large et va au-delà programme scolaire. Ainsi, un spectre est une distribution de valeurs d'une certaine quantité (parfois un concept). Par grandeur, bien sûr, ils désignent souvent une masse, une énergie et une longueur d’onde spécifiques. Mais il existe aussi des distributions complètement différentes. Par exemple, une femme peut cuisiner deux plats - c'est sa gamme culinaire. Ou bien un homme peut boire du café, de la compote, du thé, mais n'accepte pas l'alcool, ce qui signifie que sa gamme de boissons est limitée. Autrement dit, il existe des types de spectres totalement étrangers à la science. La physique ne joue aucun rôle dans les exemples ci-dessus.
Balance électromagnétique
Cependant, les gens entendent le plus souvent ce concept lorsque nous parlons de sur la science (en particulier sur l'échelle électromagnétique). D'où viennent les ondes électromagnétiques ? Le mécanisme même de leur apparition reste encore un mystère. En général, le domaine non des particules, mais des champs, est très mystérieux. Or, on sait que les champs électromagnétiques (et donc les ondes) apparaissent en présence d'une charge se déplaçant dans l'espace. Et selon ce que c'est et comment il bouge, ils apparaissent sur l'échelle électromagnétique différentes sortes radiation. Le spectre dans ce cas est considéré en fonction de la longueur d'onde. Rappelons que ce terme signifie distance minimale entre phases identiques de perturbations voisines (pour faire simple, entre maxima ou minima successifs). Les ondes radio ont les longueurs d'onde les plus longues, les rayonnements gamma les plus courtes. Ce que l’œil humain voit ne représente qu’une petite fraction de l’ensemble de la plage et se situe plus près du début de l’échelle. Par conséquent, les types de spectres diffèrent principalement par la longueur d’onde ou la fréquence.
Spectroscopie
La partie éducative de cet article décrivait quelques concepts de base. Cependant, la chose la plus importante dans toute recherche est sa pertinence.
En d’autres termes, la portée. Dans cette partie, tous les types de spectres sont leaders. Ils sont utilisés partout : de la médecine légale à la création de nouvelles substances, de la biologie à l'espace interstellaire. La science qui se concentre sur ce concept physique, comme le lecteur l’a probablement déjà compris, s’appelle la spectroscopie. À l'heure actuelle, les types de spectres (respectivement analyse spectrale) se distinguent selon plusieurs critères.
Types de spectres
Comme indiqué, le premier critère est la longueur d’onde. Rappelons que la fréquence d'une onde est inversement proportionnelle à sa longueur - ces notions sont continuellement liées. Selon les régions sur l'échelle électromagnétique, on distingue les régions radio, ultraviolette, visible, infrarouge, vues aux rayons X spectres. Le deuxième critère est la géométrie de l'expérience. La photographie par réflexion et par transmission peut être fondamentalement différente.
L’analyse des différences peut en révéler beaucoup sur la substance étudiée. Par exemple, des conclusions sur la composition et la densité des anneaux de Saturne ont été tirées de cette manière.
Lignes et rayures
La blague sur un cheval sphérique dans le vide n’est qu’une demi-blague. Cinquante pour cent, sinon la majorité concepts physiques n'existe pas dans la nature sous sa forme pure. Le critère suivant, qui sépare les types de spectres, est donc conditionnel. Un atome (ou molécule) idéal d'une substance dans vide absolu donnera une distribution de signaux électromagnétiques constituée de lignes fines. Ces conditions sont impossibles à remplir, mais néanmoins, des bandes très étroites avec des composants individuels indiscernables sont généralement considérées comme un spectre de raies. En règle générale, il s'agit d'un ensemble de colonnes différentes hauteurs(cela signifie intensité) aux longueurs d'onde appropriées. Cependant, il existe d'autres types de spectres appelés spectres en bandes : chaque ligne présente des bords larges et flous.
Ciel bleu
La question de savoir pourquoi le ciel est bleu est posée par tous les enfants agités de quatre ans. La réponse est à la fois simple et complexe : elle a cette couleur à cause des micro-oscillations (appelées fluctuations) l'atmosphère terrestre Sur l’ensemble du spectre solaire, seule la région de longueur d’onde correspondante est diffusée. Tout le reste est absorbé (dans une plus grande mesure) ou réfléchi.
C'est un autre critère. Autrement dit, il existe des spectres d’absorption, d’émission et de diffusion. Chaque étude produit ses propres résultats. Mais ils contiennent des informations de base sur la substance différents types spectre d'émission. Ils donnent une réponse sans ambiguïté sur ce qui est présent et en quelle quantité dans la substance étudiée. Les deux autres vues montreront la complexité de la structure et la manière dont ses différentes parties interagissent les unes avec les autres.
Rocher lunaire
Nous montrerons de quoi et de quel spectre est responsable l'exemple d'un pavé livré depuis la Lune. Si vous faites briller une pierre grâce à diverses manipulations, le spectre obtenu montrera clairement quels éléments chimiques du système périodique elle contient. D'autres procédures permettent d'extraire les concentrations d'éléments détectés à partir de ces mêmes spectres. Cependant, un corps solide et ses propriétés sont déterminés non seulement par sa composition, mais également par la manière dont ces parties élémentaires individuelles sont situées les unes par rapport aux autres. Exemple classique- graphite et diamant. Dans les deux cas il s’agit de carbone natif. Mais les atomes sont connectés de différentes manières - et nous obtenons le plus mou et le plus dur. matériaux naturels. Pourquoi chérie ? Parce que c'est aussi la base de la vie. D'ailleurs, outre les formes mentionnées, il existe également des fullerènes, des nanotubes et du graphène récemment découvert, pour lequel les scientifiques ont reçu prix Nobel. Certes, dans ce dernier cas, il convient de mentionner que la substance est bidimensionnelle, ce qui change considérablement l’idée même des fines couches de substances. Ainsi, la spectroscopie de diffusion renseigne sur la structure d'une substance solide et de ses minéraux constitutifs. Par exemple, les lignes Raman (si elles sont interprétées correctement) jusqu'à plusieurs cellules unitaires déterminent la structure du cristal. Mais l'analyse du bord d'absorption, ou plutôt de ses détails : l'angle d'inclinaison, la présence d'anomalies sous forme d'écarts par rapport à la forme linéaire, permet de trouver le degré d'harmonie de cette structure, c'est-à-dire de montrer quels cristaux dans la pierre de la Lune est claire ou la substance est-elle presque amorphe ?
Grâce à ces données, les experts calculent l’origine de la substance de la pierre, ainsi que la métamorphose des roches qui composent sa composition.
Monde numérique
La modernité est impensable sans les technologies numériques. Et surtout, ce n’est pas la vitesse des processeurs ou le nombre de gigaoctets de RAM qui compte, mais le cryptage du signal. Bien entendu, cela est important principalement pour les domaines où la confidentialité est nécessaire - dans les opérations bancaires, les communications personnelles via Internet. Mais même un simple enregistrement d’un film sur disque est crypté. Après tout, le laser ne brûle pas les images, mais les zéros et les uns. Les personnes qui travaillent dans le domaine de la création et du traitement de photographies savent combien « pèse » une image dans sa forme originale. Format brut. Pour les non-initiés, révélons un secret : beaucoup. Parce que chaque pixel reçoit sa propre teinte et son propre éclairage. Mais les formats jpeg, tiff ou même bmp familiers occupent beaucoup plus de place sur les supports de stockage. moins d'espace, alors que la qualité visible n'est pas pire.
Alors quel est le secret ? La réponse réside dans les types de spectres de signaux et les options pour leur compression. Fourier a prouvé que n'importe quel signal peut être décomposé en un certain nombre de fonctions avec une précision suffisamment élevée. Ainsi, chaque pixel des formats photographiques classiques ne reflète pas la peinture directement capturée, mais le spectre du signal. Certains formats vidéo n'utilisent pas Fourier, mais une transformation en ondelettes pour décoder de petites portions de uns et de zéros en une image spécifique. Ainsi, en perdant une très petite partie (moins d'un pour cent) de l'image, vous pouvez réduire considérablement, parfois cent fois, la quantité d'espace occupé sur un disque ou une carte flash.
L'analyse spectrale est divisée en plusieurs méthodes indépendantes. Parmi elles figurent : la spectroscopie infrarouge et ultraviolette, l'absorption atomique, l'analyse de luminescence et de fluorescence, la spectroscopie de réflexion et Raman, la spectrophotométrie, la spectroscopie des rayons X, ainsi qu'un certain nombre d'autres méthodes.
L'analyse spectrale d'absorption est basée sur l'étude des spectres d'absorption un rayonnement électromagnétique. L'analyse spectrale d'émission est réalisée à partir des spectres d'émission d'atomes, de molécules ou d'ions excités différentes façons.
Analyse spectrale d'émission atomique
L'analyse spectrale est souvent appelée uniquement analyse spectrale d'émission atomique, qui est basée sur l'étude des spectres d'émission d'atomes libres et d'ions en phase gazeuse. Elle est réalisée dans la gamme de longueurs d'onde de 150 à 800 nm. Un échantillon de la substance étudiée est introduit dans la source de rayonnement, après quoi l'évaporation et la dissociation des molécules s'y produisent, ainsi que l'excitation des ions résultants. Ils émettent un rayonnement qui est enregistré par l'appareil d'enregistrement du dispositif spectral.
Travailler avec Spectra
Les spectres des échantillons sont comparés aux spectres d'éléments connus, que l'on retrouve dans les tableaux de raies spectrales correspondants. C'est ainsi que la composition de la substance analysée est déterminée. L'analyse quantitative implique la concentration d'un élément donné dans l'analyte. Il est reconnu par l'ampleur du signal, par exemple par le degré de noircissement ou la densité optique des lignes sur une plaque photographique, par l'intensité flux lumineux sur un récepteur photoélectrique.
Types de spectres
Un spectre continu de rayonnement est fourni par les substances à l'état solide ou liquide, ainsi que par les gaz denses. Il n'y a pas de rupture dans un tel spectre, des ondes de toutes longueurs y sont représentées. Son caractère dépend non seulement des propriétés des atomes individuels, mais aussi de leur interaction les uns avec les autres.
Un spectre d'émission de raies est caractéristique des substances à l'état gazeux, alors que les atomes n'interagissent pratiquement pas les uns avec les autres. Le fait est que les atomes isolés d'un élément chimiqueémettre des ondes d'une longueur d'onde strictement définie.
À mesure que la densité du gaz augmente, les raies spectrales commencent à s’élargir. Pour observer un tel spectre, on utilise la lueur d'une décharge de gaz dans un tube ou la vapeur d'une substance dans une flamme. Si la lumière blanche traverse un gaz non émetteur, des lignes sombres dans le spectre d'absorption apparaîtront sur le fond du spectre continu de la source. Le gaz absorbe plus intensément la lumière des longueurs d'onde qu'il émet lorsqu'il est chauffé.
Au XVIIe siècle, désignant la totalité de toutes les valeurs de toute grandeur physique. Énergie, masse, rayonnement optique. C’est de ce dernier point que l’on parle souvent lorsque l’on parle du spectre de la lumière. Plus précisément, le spectre de la lumière est un ensemble de bandes de rayonnement optique de différentes fréquences, dont certaines sont visibles quotidiennement dans le monde qui nous entoure, tandis que d’autres sont inaccessibles à l’œil nu. Selon la capacité de perception de l’œil humain, le spectre lumineux est divisé en parties visibles et invisibles. Cette dernière, à son tour, est exposée à la lumière infrarouge et ultraviolette.
Types de spectres
Il existe également différents types de spectres. Il y en a trois, en fonction de la densité spectrale de l'intensité du rayonnement. Les spectres peuvent être continus, linéaires ou rayés. Les types de spectres sont déterminés à l'aide
Spectre continu
Un spectre continu est formé de solides ou de gaz chauffés à haute température. haute densité. Le célèbre arc-en-ciel aux sept couleurs est un exemple direct de spectre continu.
Spectre de raies
Représente également des types de spectres et provient de toute substance à l’état atomique gazeux. Il est important de noter ici qu’il s’agit d’une question atomique et non moléculaire. Ce spectre garantit une interaction extrêmement faible des atomes les uns avec les autres. Puisqu’il n’y a pas d’interaction, les atomes émettent en permanence des ondes de même longueur. Un exemple d'un tel spectre est la lueur des gaz chauffés à haute température.
Spectre de bande
Le spectre rayé représente visuellement des bandes individuelles, clairement délimitées par des intervalles assez sombres. De plus, chacune de ces bandes n'est pas un rayonnement d'une fréquence strictement définie, mais est constituée de grande quantité lignes lumineuses situées à proximité les unes des autres. Un exemple de tels spectres, comme dans le cas des spectres de raies, est la lueur des vapeurs à haute température. Cependant, ils ne sont plus créés par des atomes, mais par des molécules qui ont une liaison commune extrêmement étroite, ce qui provoque une telle lueur.
Spectre d'absorption
Cependant, les types de spectres ne s’arrêtent pas là. De plus, il existe un autre type connu sous le nom de spectre d’absorption. En analyse spectrale, le spectre d'absorption est constitué de lignes sombres sur le fond d'un spectre continu et, essentiellement, le spectre d'absorption est une expression de la dépendance à l'égard du taux d'absorption de la substance, qui peut être plus ou moins élevé.
Bien qu’il existe un large éventail d’approches expérimentales pour mesurer les spectres d’absorption. La plus courante est une expérience dans laquelle le faisceau de rayonnement généré traverse un gaz refroidi (de sorte qu'il n'y ait pas d'interaction de particules et, par conséquent, de lueur), après quoi l'intensité du rayonnement qui le traverse est déterminée. L’énergie transférée pourrait très bien être utilisée pour calculer l’absorption.