Том 1 (1109661), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

Поскольку частота излучения при этом остается постоянной, длина волны изменяется. Пример, приведенный на рис.3.2, показывает, что при переходе видимого излучения из воздуха в стекло длина волны уменьшается приблизительно на 200 нм. 1~=600 им е=5я10 Гц Х=400 им м=5я!Ф Гц расстояние Рис.

3.2. Изменение длины волны монохромвтического излучения при прохождении в стекле. Преломление света Мерой степени взаимодействия излучения с материалом среды служит показатель преломления и. Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме с к скорости распространения излучения в данной среде ьс с и=— 6 13.2) Показатель преломления зависит от длины волны излучения. Изменение показателя преломления при изменении длины волны (час- Уменьшение скорости света при прохождении его через вещественную среду объясняется периодической поляризацией атомов или молекул среды.

При этом часть энергии излучения поглощается средой и через приблизительно 10 '4 с высвобождается в том же количестве. Поэтому никакого результирующего поглощения энергии не наблюдается. нвозд, В = 5 о ажение оптически менее плотная среда (и,) оптически более плотная среда (п~ преломление предельный угол полного отражения перпендикуляр Рис. 3.3. Преломление света при переходе из оптически менее плотной в оптически более плотную среду.

При переходе света из оптически менее плотной в оптически более плотную среду показатель преломления изменяется скачкообразно (рис. 3.3). При этом изменяется и направление распространения света, Его можно охарактеризовать при помощи закона преломления Снеллиуса: 81п ст п2 — = — =п2, яви п1 13.4) тоты) называется дисперсией. Если зависимость показателя преломления от длины волны линейна,то такая дисперсия называется нормальной. Резкое изменение показателя преломления в узком диапазоне длин волн называется аномальной дисперсией. Материалы, обладающие как нормальной,так и аномальной дисперсией,используют для создания спектральных приборов.

Так, линзы оптических приборов изготавливают из материалов с нормальной дисперсией, поскольку желательно, чтобы в зтом случае показатель преломления в некотором спектральном диапазоне как можно меньше зависел от длины волны (и был достаточно высоким). Материалы с аномальной дисперсией, сильно изменяющие показатель преломления при изменении длины волны, удобны для изготовления призм, разлагающих излучение в спектр.

Абсолютный показатель преломления воздуха составляет 1, 0003, т.е. хотя и незначительно, но отличается от единицы. Для практических целей обычно используют отпноснптельный показатель преломления, равный отношению скоростей распространения излучения в воздухе и в данной среде; где п2 — показатель преломления более плотной среды, п1 — показатель преломления менее плотной среды (для воздуха п1 = 1).

Как правило, показатели преломления измеряют при длине волны 0-линии излучения натрия (589, 3 нм). Для жидкостей они обычно находятся в диапазоне от 1,3 до 1,8, а для твердых тел — от 1,3 до 2,5. Методом рефрантометрии легко измерить показатели преломления с точностью до 0,001. При прохождении излучения через границу раздела двух сред всегда наблюдается и частичное отражение света. Доля отраженного света зависит от угла его падения. При падении света с интенсивностью 1о перпендикулярно границе раздела доля отраженного света составляет 1' щ, (п2 — п1)2 (3.5) 10 (п2 + п1) Если направление распространения света, показанное на рис.

3.3, изменить на противоположное (из более плотной среды в менее плотную), то в результате преломления луч станет в большей мере отклоняться от перпендикуляра к границе раздела. При некотором угле падения это отклонение составит 90', а при дальнейшем его увеличении будет наблюдаться только отражение, но не преломление. Величина предельного угла полного отражения не зависит от длины волны (рис.3.3). Поскольку в случае полного отражения в1па = 1, из уравнения (3.4) легко найти, что для предельного угла полного отражения а1п,в = 1/п2.

При всех углах падения, для которых 1 яп,9 ) —, П2 наблюдается полное отражение. Рассеяние света Как было отмечено ранее, изменение скорости света при прохождении его через материальную среду связано с поглощением — высвобождением части его энергии вследствие поляризации частиц среды. При этом высвобождаемая энергия распространяется во всех направлениях. Если частицы, составляющие среду, достаточно малы по сравнению с длиной волны излучения (как, например, атомы или молекулы), то доля света, распространяющаяся в направлении отличном от первоначального, очень невелика. При точных измерениях, однако, можно заметить, что и в этом случае часть света рассеи- вается, а интенсивность светового потока вдоль первоначального направления уменьшается тем сильнее, чем больше размер частиц. Для молекул или молекулярных ассоциатов, размеры которых значительно меньше чем длина волны излучения, рассеяние света называется релесвским рассеянием.

Релеевским рассеянием объясняется, в частности, голубой цвет неба, поскольку более коротковолновый (голубой) свет рассеивается сильнее, чем длинноволновый. Рассеяние света на более крупных — коллоидных — частицах называется тиндалевским. Его можно наблюдать невооруженным глазом. Еще один вид рассеяния света — комбинационное (рамановское) рассеяние, сопровождающееся изменением колебательной энергии рассеивающих частиц. Это явление лежит в основе метода комбинационного рассеяния (рамановской спектроскопии), рассматриваемого в разделе 3.3.1.

Корпускулярная природа электромагнитного излучения Для описания электромагнитного излучения как потока частиц (фотонов, квантов света) служит соотношение, выведенное Эйнштейном: 6с Е= Йи или Е= —, (3.6) где й = 6,6262 10 з4 Дж с — фундаментальная физическая постоянная, называемая постоянной Планка или квантом действия. Таким образом, энергия одного фотона прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны электромагнитного излучения.

Представление о корпускулярной природе электромагнитного излучения необходимо для описания процессов поглощения и испускания света. В ходе поглощения излучения, лежащего в определенной области спектра, отдельный атом, ион или молекула, взаимодействуя с фотоном, увеличивает свою энергию на величину, равную энергии фотона,и переходит из основного энергетического состояния в возбужденное.

Согласно квантовой теории, возможные энергетические состояния частицы дискретны и определяются природой частицы, ее окружением и физическим состоянием вещества. Процессы поглощения света отдельными атомами и молекулами протекают по-разному, о чем будет подробнее сказано при обсуждении соответствующих методов анализа. Испускание излучения наблюдается тогда, когда частица, находящаяся в возбужденном состоянии, переходит в состояние с меньшей энергией. При этом избыток энергии высвобождается в виде фотона. Для перевода частицы в возбужденное состояние можно использовать поглощение излучения от внешнего источника., высокую температуру (в пламени или плазме), бомбардировку электронами или ионами и другие методы.

Аппаратура для оптической спектроскопии Принципиальная схема спектрометра включает источник излучения, отделение для пробы, диспергирующее устройство или монохроматор для разложения светового потока и систему детектирования и регистрации (рис. 3.4). Для некоторых спектроскопических методов требуется весьма специфическое оборудование. Для оптической же спектроскопии аппаратура почти всегда состоит из одного и того же ограниченного набора компонентов, единого для всех методов. Под оптической спектроскопией первоначально понимали методы, использующие излучение лишь видимого диапазона. Сейчас в это понятие включают также методы спектроскопии в ультрафиолетовой (УФ) и инфракрасной (ИК) областях. Рис.

3.4. Принципиальная схема оптического спектрометра. Источники излучения Первым компонентом спектрометра является источник излучения. Обычно он помещается вне пробы. Однако, например, в методе атомно-эмиссионной спектроскопии анализируемая проба сама по себе является одновременно источником излучения (раздел 3.2.2). В табл. 3.2 приведены важнейшие источники излучения, используемые в отдельных диапазонах оптической спектроскопии. Общими требованиями ко всем источникам являются высокая интенсивность и стабильность излучения. Самыми общеизвестными являются источники непрерывного излучения, которые широко применяются и в быту (например, лампы накаливания). В атомно-абсорбционной спектроскопии для регистрации весьма узких атомных линий необходимы источники линейчатого спектра (раздел 3.2.1). г3. О г 1Я~ Таблица 3.2.

Источники излучения для оптической спектроскопии. Область спектра Источник излучения непрерывный спектр: вакуумная УФ УФ аргоновые, ксеноновые лампы ксеноновые, водородные, дейтериевые лампы вольфрамовые, галогенные лампы вольфрамовые лампы, штифты Нернста, ннхромо- вые излучатели, глобары штифты Нернста (2гОг + УгОз), нихромовые из- лучатели (% + Сг), глобары (%С) видимая ближняя ИК полосатый спектр: УФ-видимая Светодиоды линейчатый спектр: УФ-видимая Лампы с полым катодом, беззлектродные разряд- ные лампы С изобретением в 1960 г.лазеров спектроскопические методы анализа получили еще один источник излучения, отличающийся особенно высокой интенсивностью, узостью светового потока (сотые доли микрометра), высокой монохроматичностью (О, 01 нм и менее) и когерентностью излучения, т.е.

совпадением по направлению и фазе всех испускаемых волн. Первые модели лазеров излучали лишь при одной определенной длине волны. Сейчас разработаны и лазеры с перестраиваемой частотой, например, лазеры на красителях для видимой части спектра. Основной частью лазера является активная среда (рабочее тело). Ею может быть кристалл (например, рубин), полупроводниковый материал, раствор красителя или газ — гелий, неон, аргон (рис. 3.5).

Характеристики

Список файлов книги