Устаревшая ед частотного интервала. Названа в честь франц физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С

Вид материала

Документы

Содержание Спектрометры высокого разрешения Двухлучевые спектрофотометры (СФ). Т (в %) или оптич. плотности D=-IgT Однолучевые нерегистрирующие спектрофотометры Спектрометры комбинационного рас­сеяния Скоростные спектрометры (хроноспектрометры) 2. Многоканальные С. п. с простран­ственным разделением длин волн Пламённые (атомно-абсорбционные) спектрофотометры Скоростные многоканальные С. п. 3. Одноканальные С. п. с селектив­ной модуляцией 4. Многоканальные С. п. с селектив­ной модуляцией Рис. 7. ИК спектры поглощения паров во­ды на участке 200—250 см Спектральные призмы R спектр располагается на окружности радиуса R/2. Спектральные серии R — Ридберга постоянная, n Спектральный анализ Атомный С. а. (АСА) Градуировочный график (метод трёх этало­нов).

Подобный материал:

• Синдром удлинённого интервала qt и проблемы безопасности психофармакотерапии, 109.2kb.
• Товариство з обмеженою, 119.57kb.
• Н. Г. Чернышевского кафедра теоретической и математической физики рабочая программа, 152.3kb.
• Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
• Татьяна Евгеньевна Зыкова. Сюных лет ему была интересна литература, 95.59kb.
• Электронная газета в рамках «Дня науки», посвященного Году российской космонавтики, 85.16kb.
• Лекция Логические основы компьютеров , 369.25kb.
• Игра ) Имя известного ученого, в честь которого названа самая популярная программа, 21.91kb.
• Физика биологических систем, 39.45kb.
• Динамика культурных процессов в современной России, 39.45kb.

^ Спектрометры высокого разрешения

для исследований структуры ат. и мол. спектров представляют собой стационарные лаб. установки, рабо­тающие по схеме, приведённой на рис. 4. Их длиннофокусные (до 6 м) монохроматоры помещают в вакуум­ные корпуса (для устранения атм. поглощения) в виброзащищённых и термостабилизиров. помещениях. В этих приборах используется 2- и 4-кратная дифракция на больших эшелеттах, применяются высокочувствит. охлаждаемые приёмники, что позво­ляет достигать в спектрах поглощения значений R2•10⁵ при З мкм. Для выявления ещё более тонкой струк­туры в схему вводят интерферометры Фабри — Перо, в к-рых сканирование по , в пределах узкого диапазона про­изводится изменением давления в за­зоре или величины зазора с помощью пьезодвигателей, а щелевой монохро­матор используется лишь для пред­варит. выбора спектр. диапазона и разделения налагающихся порядков интерференции. Такие приборы наз. спектрометрами Фабри — Перо, они позволяют в видимой области полу­чать R10⁶.

^ Двухлучевые спектрофотометры (СФ). В двухлучевых оптич. схемах поток от источника разделяется на два пучка — основной и пучок сравнения (референтный). Чаще всего применя­ется двухлучевая схема «оптич. нуля» (рис. 5), представляющая собой си­стему автоматич. регулирования с обратной связью. При равенстве по­токов излучения в двух пучках, про­ходящих через образец и фотометрич. клин К и попеременно посылаемых модулятором М на входную щель монохроматора Ф, система находится в равновесии — клин К неподвижен.

С изменением длины волны при ска­нировании пропускание образца ме­няется и равновесие нарушается — возникает сигнал разбаланса, к-рый усиливается и подаётся на сервомо­тор, управляющий движением клина и связанным с ним регистратором Р (самописцем). Клин перемещается до тех пор, пока вносимое им ослабление референтного потока не компенсирует ослабления, вносимого образцом. Диа­пазон перемещения клина согласуется со шкалой (от 0 до 100%) регистра­тора коэфф. пропускания образца.



Рис. 5. Схема «оптич. нуля» двухлучевого одноканального спектрофотометра: К — оп­тич. клин; остальные обозначения анало­гичны приведённым на рис. 4.


Обычно СФ записывает зависимость коэфф. пропускания ^ Т (в %) или оптич. плотности D=-IgT (0T1)

от , или волн. числа v.

Многочисл. модели СФ можно раз­делить на три осн. класса: сложные универсальные СФ для науч. иссле­дований (Л = 10³—10⁴), приборы ср. класса (R10³) и простые («рутинные») СФ (R=100—300). В СФ 1-го класса предусмотрена автоматич. смена реп­лик, источников, приёмников, что позволяет охватить широкий спектр. диапазон. Наиболее распространены приборы с диапазонами 0,19—3, 2,5 — 50 и 20—330 мкм. Конструкции этих СФ обеспечивают широкий выбор зна­чений R, М, , скоростей и масшта­бов регистрации спектров разл. объ­ектов.

Кроме СФ, работающих по схеме «оптич. нуля», существуют прецизи­онные СФ, построенные по схеме «эле­ктрич. отношения». В них световые пучки двухлучевого фотометра моду­лируются разл. частотами (или фазами) и отношение потоков определяется в электрич. части прибора. В кон­струкции спец. типов СФ вводят микроскопы (микроспектрофотомет­ры), устройства для исследований спектров флуоресценции (спектрофлуориметры), дисперсии показателя пре­ломления (спектрорефрактометры), из­мерений яркости внеш. излучателей в сравнении с эталонным (спектрорадиометры). Автоматич. СФ являются осн. приборами для исследований спектр. хар-к в-в и материалов и аб­сорбционного спектр. анализа в ла­бораториях.

^ Однолучевые нерегистрирующие спектрофотометры — обычно простые и относительно дешёвые приборы для

705


области 0,19—1,1 мкм, схема к-рых аналогична приведённой на рис. 4. Нужная длина волны в них устанав­ливается вручную; образец и эталон, относительно к-рых измеряется про­пускание или отражение, последова­тельно вводятся в световой пучок. Отсчёт снимается визуально по стре­лочному или цифровому прибору.

^ Спектрометры комбинационного рас­сеяния могут быть однолучевыми и двухлучевыми. Источником излучения в них обычно служат лазеры, а для наблюдения комбинац. частот (см. Комбинационное рассеяние света) и подавления фона, создаваемого пер­вичным излучением, применяются двойные и тройные монохроматоры, а также голографич. дифракц. решётки. В лучших приборах отношение фона к полезному сигналу снижено до 10^-15 и комбинац. частоты могут наблюдаться на расстояниях порядка неск. см^-1 от возбуждающей линии.

^ Скоростные спектрометры (хроноспектрометры) работают по схеме, приведённой на рис. 4, но в отличие от предыдущих С. п. их снабжают устройствами быстрого циклич. ска­нирования и широкополосными ( до 10⁷ Гц) приёмно-регистрирующими системами. Для исследований кине­тики реакций сканирование ведётся с малой скважностью, к-рая дости­гается, напр., методом «бегущей ще­ли»: вместо выходной щели в фокаль­ной плоскости устанавливается быстро вращающийся диск с большим числом радиальных прорезей. Таким спосо­бом получают до 10⁴ спектров в 1 с. Если время жизни объекта слишком мало, применяют более быстрое ска­нирование вращающимися зеркалами, это приводит к большой скважности и требует синхронизации начала про­цесса с моментом прохождения спект­ра по щели.

^ 2. Многоканальные С. п. с простран­ственным разделением длин волн

Сканирование в этой группе при­боров не применяется, дискр. ряд длин волн (в полихроматорах) или участки непрерывного спектра (в спект­рографах) регистрируются одновре­менно и оптич. часть строится обычно до схеме, приведённой на рис. 3. Если же вместо системы, создающей угловую дисперсию, применяется на­бор узкополосных светофильтров, при­бор обычно относят к фотометрам.

Многоканальные С. п. использу­ются для спектр. анализа состава в-в по выбранным аналитич. длинам волн . По мере увеличения числа каналов появляется возможность изучения спектр. распределений f(). Рассмот­рим наиб. типичные приборы данной труппы (в порядке возрастания числа каналов).

^ Пламённые (атомно-абсорбционные) спектрофотометры имеют обычно

один-два канала регистрации. Они измеряют интенсивности линий аб­сорбции, эмиссии или флуоресценции атомов элементов в пламени спец. горелок или др. атомизаторов. В про­стых конструкциях аналитические  выделяются узкополосными фильтра­ми (пламенные фотометры), в приборах более высокого класса применяются полихроматоры или мо­нохроматоры, к-рые можно переклю­чать на разл. длины волн. Приборы данного типа используют для опреде­ления большинства элементов перио­д.ч, системы. Они обеспечивают вы­сокую избирательность и чувстви­тельность (до 10^-14 г).

Квантометры — фотоэлектрич. ус­тановки для пром. спектр. анализа — строятся на основе полихроматоров; выходные щели полихроматора выде­ляют из спектра излучения исследу­емого в-ва аналитич. линии и линии сравнения, соответствующие потоки посылаются на приёмники (фотоумножители), установленные у каждой щели. Фототоки приёмников заряжа­ют накопительные конденсаторы; ве­личина заряда, накопленного за время экспозиции, служит мерой интенсив­ности линии, к-рая пропорц. концент­рации элемента в пробе. Существую­щие модели квантометров различа­ются рабочими диапазонами спектра (внутри области 0,17 — 1 мкм), числом одновременно работающих каналов (от 2 до 80), степенью автоматизации, способами возбуждения спектров (дуга, искра, лазер). Они применяются для экспрессного спектр. анализа сталей, сплавов, смазочных масел.

Спектрографы одновременно реги­стрируют протяжённые участки спект­ра, развёрнутого в фокальной пло­скости Ф (рис. 3), на фотопластинках или фотоплёнках (фотогр. спектро­графы), а также на экранах передаю­щих телевиз. трубок, электроннооптич. преобразователей с «запомина­нием» изображений и т. п. При хоро­шей оптике число каналов ограничи­вается лишь разрешающей способ­ностью (зернистостью) фотоматериа­лов или числом строк телевиз. раз­вёртки. В видимом диапазоне исполь­зуются простые спектроскопы и стилоскопы, в к-рых приёмником явл. глаз.

Типы спектрографов отличаются большим разнообразием — от прос­тейших приборов настольного типа для учебных целей и компактных ракетных и спутниковых бортовых спектрографов до крупных астроспектрографов, работающих в сочетании с телескопами, и лабораторных 10-метровых вакуумных установок с боль­шими плоскими и вогнутыми дифракц. решётками для исследований тонкой структуры спектров атомов. Линейная дисперсия спектрографов x/ может лежать в пределах 10²—10⁵ мм/мкм, светосила по ос­вещённости (отношение осве­щённости в изображении входной щели к яркости источника, освещающего входную щель) — от 0,5 в свето­сильных спектрографах до 10^-3 и менее в длиннофокусных приборах большой дисперсии.

^ Скоростные многоканальные С. п. для исследований спектров быстро-протекающих процессов конструиру­ются путём сочетания спектрографа со скоростной кинокамерой (кино­спектрографы), введения в схему при­бора многогранных вращающихся зер­кал, применения многоканальной ре­гистрации с многоэлементными при­ёмниками и т. п. (такие С. п. наз. хроноспектрографами, спектрохронографами, спектровизорами, скорост­ными спектрометрами).

^ 3. Одноканальные С. п. с селектив­ной модуляцией

Типичными С. п. 3-й группы явл. растровые спектрометры и сисамы.

Растровые спектрометры создаются по общей для одноканальных С. п. блок-схеме (рис. 4), но в сканирующем монохроматоре щели заменяются раст­рами спец. формы (.напр., гиперболи­ческими; рис. 6). При работе входного растра попеременно в проходя­щем и отражённом свете возникает амплитудная модуляция излучения той , для к-рой изображение входного растра совпадает с выходным растром.




рис. 6. Гиперболич. растр Жерара. Тёмные полосы — зеркальные, растр попеременно работает то в проходящем, то в отражён­ном свете.

В излучении других  в результате угловой дисперсии изображения сме­щаются и амплитуда модуляции умень­шается. Т. о., ширина АФ  такого С. п. соответствует полупериоду раст­ра. По сравнению с щелевыми спект­рометрами растровые дают выигрыш в потоке (примерно в 100 раз при R30000), однако их применение ограничено засветкой приёмника по­током немодулиров. излучения и слож­ностью изготовления растров и оптич. части системы.

Сисам — спектрометр интерферен­ционный с селективной амплитудной модуляцией — строится на основе

706


двухлучевого интерферометра, в к-ром концевые зеркала заменены син­хронно поворачивающимися дифракц. решётками и введён модулятор по оптич. разности хода. В этом случае амплитудная модуляция накладыва­ется только на интервал _диф, со­ответствующий дифракц. пределу в окрестности , к-рая удовлетворяет условию максимума дифракции для обеих решёток. Сисам всегда рабо­тает на дифракц. пределе: R=/_диф, при этом за счёт увеличения входного отверстия поток примерно в 100 раз больше, чем в классич. приборах 1-й группы, но оптико-механич. часть весьма сложна в изготовлении и настройке.

^ 4. Многоканальные С. п. с селектив­ной модуляцией

Для данной группы С. п. характерна одновременная селективная модуля­ция (кодирование) дискретного или непрерывного ряда длин волн, вос­принимаемых одним фотоэлектрич. приёмником, и последующее декоди­рование электрич. сигналов. Наи­большее распространение получили два типа приборов этой группы.

В адамар-спектрометрах осущест­вляется кодирование дискр. ряда длин волн; общая схема подобна приведён­ной на рис. 4, но сканирование здесь не применяется, щели в монохроматоре заменены на циклически сменя­емые многощелевые растры спец. кон­струкции (маски-матрицы Адамара). Сигналы приёмника декодируются спец. устройством, дающим на вы­ходе дискр. спектр исследуемого из­лучения, состоящий примерно из 100 точек-отсчётов. Адамар-спектрометры дают выигрыш в потоке и быстродей­ствии и эффективно применяются, напр., для экспресс-анализа выхлоп­ных газов двигателей по ИК спектрам.

В фурье-спектрометрах осуществля­ется непрерывное кодирование длин волн с помощью интерференц. моду­ляции, возникающей в двухлучевом интерферометре при изменении (ска­нировании) оптич. разности хода. При­ёмник излучения на выходе интерфе­рометра даёт во времени сигнал — интерферограмму, к-рая для получе­ния искомого спектра подвергается фурье-преобразованию на ЭВМ. Фу­рье-спектрометры наиб. эффективны для исследований протяжённых спект­ров слабых излучений в ИК области, а также для решения задач сверх­высокого разрешения (см. Фурье спект­роскопия). Конструкции и хар-ки при­боров этого типа очень разнообразны: от больших уникальных лаб. устано­вок с оптич. разностью хода 2 м (R10⁶) до компактных ракетных и спутниковых спектрометров, предназ­наченных для метеорол. и геофиз. ис­следований, изучения спектров планет и т. д. Для фурье-спектрометров соотношение (1) имеет вид: R^3/2М=K().

Отметим ещё раз принципиальное различие рассмотренных групп при­боров: в одноканальных приборах время эксперимента затрачивается на накопление информации о новых участ­ках спектра, в приборах 2-й группы — на накопление отношения сигнала к шуму, а в приборах 4-й группы — на накопление структурных деталей в данном спектр. диапазоне (рис. 7).



^ Рис. 7. ИК спектры поглощения паров во­ды на участке 200—250 см^-1, получен­ные с помощью фурье-спектрометра при разл. оптич. разно­стях хода  в интер­ферометре. Чем боль­ше А (т. е., чем боль­ше затрачено време­ни на сканирование по А), тем больше де­талей можно выявить в исследуемом участ­ке спектра. При  =4 см спектр. разре­шение =2/=0,5 см^-1.


• Пейсахсон И. В., Оптика спект­ральных приборов, 2 изд., Л., 1975; Т а р а с о в К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977; Зайдель А. Н., Остров­ская Г. В., Островский Ю. П., Техника и практика спектроскопии, 2 изд., М., 1976; Оптико-механические приборы, М., 1965; Я к у ш е н к о в Ю. Г., Теория и расчет оптико-электронных приборов, 2 изд., М., 1980; М е р ц Л., Интегральные преобразования в оптике, пер. с англ., М., 1969; Инфракрасная спектроскопия высо­кого разрешения. Сб. статей, пер. с франц. и англ., под ред. Г. Н. Жижина, М., 1972; К а р д о н а М., Модуляционная спект­роскопия, пер. с англ., М., 1972.

В. А. Никитин.

^ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ (диспер­сионные призмы), одна из групп призм оптических; служат для про­странств. разделения (разложения в спектр) излучений оптич. диапазона, различающихся длинами волн. Раз­деление излучений на монохроматич. составляющие С. п. явл. результатом зависимости угла отклонения б луча, прошедшего через призму (рис.) от показателя преломления n, различ­ного для лучей разных длин волн  (см. Дисперсия света). Качество С. п. характеризуется угловой дис­персией /, к-рая зависит от материала призмы (величин n и n/), преломляющего угла  и угла падения i₁ (а следовательно, и от углов пре­ломления i'₁ и i'₂ на первой и второй гранях призмы):



В зависимости от исследуемой об­ласти спектра применяются С. п. из разл. материалов: стекла (чаще всего из флинта) — для видимой об­ласти; крист. кварца, флюорита и др.— для УФ области; фтористого лития, хлористого магния и др.— для ИК области.

Наиболее употребительны след. С. п. (рис.):



1) простая трёхгранная призма с преломляющим углом =60°,

2) Призма Корню, представляющая со­бой соединение на оптическом кон­такте двух прямоуг. призм с пре­ломляющим углом ₁=30°, вырезан­ных из лево- и правовращающего кварца (см. Оптическая активность, Оптически активные вещества) так,

что кристаллографич. оси параллель­ны основаниям призм. В призме Кор­ню компенсируется двойное лучепре­ломление и вращение плоскости поля­ризации, что улучшает качество спект­ра. В автоколлимац. приборах (см. Автоколлимация) того же эффекта достигают, применяя одну половину призмы Корню, задняя поверхность к-рой покрыта отражающим слоем.

3) Призма Аббе, в к-рой разложение в спектр сопровождается отклонением пучка лучей на 90°. Призма включает две прямоуг. призмы с преломляю­щими углами ₁=30°, приклеенные к граням равнобедренной (с ₂=45°), прямоугольной отражательной приз­мы. Показатели преломления призмы одинаковы (n₁-n₂).

4) Призма Резерфорда — Броунинга из трёх склеенных призм, увели­чивающая угловую дисперсию за счёт большого преломляющего угла (₂=100°); центр. призма изготовляется из стекла (флинт) с большим пока­зателем преломления n₂, две боко­вые призмы — из стекла (крон) с ма­лым n₁.

5) Призма прямого зрения (призма Амичи), состоящая из трёх или более склеенных прямоуг. призм. Боковые призмы изготовляются из крона, сред­няя — из флинта (n₂>n₁). Один из ср. лучей спектра проходит призму Амичи без отклонения; лучи с боль­шей и меньшей длиной волны откло­няются в стороны от ср. луча.

К С. п. относится и призма Фери, при использовании к-рой наряду с разложением в спектр пучка лучей происходит его фокусировка. Это до­стигается благодаря тому, что ра­бочие грани призмы искривлены и одна из них явл. зеркалом, т. к. на ней нанесено металлич. покрытие.

707


При радиусе кривизны выходной по­верхности ^ R спектр располагается на окружности радиуса R/2.

До 70-х гг. 20 в. С. п. широко при­менялись в спектральных приборах, затем наметилась тенденция к их замене во многих случаях дисперги­рующими элементами др. типов.

•Чуриловский В. Н., X а л и л у л и н К. А., Теория и расчет призменных систем. Л., 1979; Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд., Л., 1975.

Л. Н. Капорский.

^ СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ, группы спектр. линий в ат. спектрах, частоты к-рых подчиняются определ. законо­мерностям. В спектрах испускания линии данной С. с. возникают при всех разрешённых излучательных квантовых переходах с разл. началь­ных возбуждённых уровней энергии на один и тот же конечный уровень и «сходятся» к границе серии, имеющей максимальную для данной серии ча­стоту перехода (см. рис. 1 в ст. Атом). Наиболее чётко С. с. выделяются в спектрах водорода и водородоподобных атомов, гелия, щелочных ме­таллов.

Волн. числа линий в С. с. водорода определяются ф-лой:



где ^ R — Ридберга постоянная, n_i и n_k — целые числа, определяющие на­чальный и конечный уровни энергии. Для каждой С. с. n_i постоянно, а числа, определяющие верхние уров­ни, n_k=n_i+1, n_i+2, . . . Так, для n_i=1 и n_k=2, 3, ... получается серия Лаймана, частоты линий к-рой лежат в далёкой УФ области; при n_i=2, n_k=3, 4, . ...— серия Бальмера, её линии лежат в видимой и ближней УФ областях; при n_i= 3, n_k=4, 5, . . .— серия Пашена, рас­положенная в ИК области. В далёкой ИК области лежат серии Б рэкета (n_i = 4), Пфунда. (n_i=5) и Хамфри (n_i=6). Ф-ла для С. с. водородоподобных атомов отличается от (*) коэфф. Z² (Z — ат. номер).

В спектрах щелочных металлов рас­положение линий описывается более сложными закономерностями. В них выделяются главная, резкая, диффуз­ная и Бергмана серии.

См. также ст. Атомные спектры.

^ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ, физич. методы качеств. .и количеств. опре­деления состава в-ва, основанные на получении и исследовании его спект­ров. Основа С. а. — спектроскопия атомов и молекул, его классифициру­ют по целям анализа и типам спект­ров. Атомный С. а. (АСА) оп­ределяет элементный состав образца по атомным (ионным) спектрам испу­скания и поглощения; м о л е к у л я р н ы й С. а. (МСА) — мол. состав в-ва по мол. спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рас-

сеяния света. Эмиссионный С. а. производят по спектрам испу­скания атомов, ионов и молекул, воз­буждённым разл. источниками эл.-магн. излучения в . диапазоне от -излучения до микроволнового. А б-сорбционный С. а. осуществ­ляют по спектрам поглощения ана­лизируемых объектов (атомов, моле­кул, ионов в-ва).

^ Атомный С. а. (АСА)

Качественный АСА осуще­ствляют сопоставлением полученного спектра исследуемого в-ва со спектр. линиями элементов, приведёнными в спец. таблицах и атласах. В основе количественного АСА лежит соотношение, связывающее концент­рацию с определяемого элемента с отношением интенсивностей линий оп­ределяемой примеси (I₁) и линии сравнения (I₂): I₁/I₂=ас^b (постоян­ные a и b определяются опытным пу­тём), или

lg(I₁/I₂)=blgc+lga.

С помощью стандартных образцов (не менее трёх) можно построить график зависимости lg(I₁/I₂) от Igc (градуировочный график, рис.) и определить по нему а и 6. Значения I_t и I₂ можно получать непосредственно путём фотоэлектрич. измерений или путём фотометрирования (измерения плотности почернения) на микрофотометре линий определяемой примеси и линии срав­нения при фоторегистрации.




^ Градуировочный график (метод трёх этало­нов).