Widma

Widmo spektroskopowe

To zarejestrowany obraz promieniowania

rozłożony na częstotliwości, długości fali lub

energie, które zostało wyemitowane albo weszło

w kontakt z analizowaną substancją, przeszło

przez nią lub zostało przez nią odbite. Widma są

w stanie dostarczyć szeregu cennych informacji

o analizowanej substancji. Analizą i

tłumaczeniem mechanizmów powstawania widm

zajmuje się spektroskopia, metoda badawcza

wykorzystywana w wielu dziedzinach nauk

doświadczalnych, głównie fizyce i chemii, i w

zastosowaniach praktycznych (np. w

medycynie).

Widmo spektroskopowe

Widma zawierają zwykle elementy

charakterystyczne dla substancji

obecnych w badanej próbce, widoczne w

postaci "linii", "pasm" lub "pików", stąd, w

najprostszym przypadku wykorzystuje się

je do analizy składu badanej próbki lub/i

zawartości w niej różnych składników

(przykładem może być analiza składu

chemicznego gwiazd na podstawie analizy

widma emitowanego przez nie światła).

Widmo spektroskopowe

Najprostsze widma jednowymiarowe mają

zwykle postać wykresu, na którym na osi

pionowej zaznacza się zwykle

intensywność promieniowania (lub stopień

jego absorpcji - dla widm absorpcyjnych),

a na osi poziomej liczbową

charakterystykę używanego w danej

spektroskopii promieniowania, np. długość

fali, częstotliwość lub energię. Widma

przedstawia się czasem również w postaci

paska świetlnego uzyskiwanego na

ekranie lub na filmie fotograficznym.

Widmo absorbcyjne

Jest to widmo

powstające przy

przenikaniu

promieniowania przez

materię dla niego

przezroczystą. W

przypadku fal

elektromagnetycznych

atomy ośrodka

pochłaniają rezonansowo

promieniowanie o energii

odpowiadającej swojej

strukturze energetycznej

i natychmiast potem

spontanicznie emitują

światło, przy czym emisja

owa zachodzi izotropowo.

Widmo absorbcyjne
liniowe

Widma emisyjne

Jest to widmo

spektroskopowe, które jest

obrazem promieniowania

elektromagnetycznego

wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje gdy

obdarzone ładunkiem

elektrycznym (elektrony,

atomy, cząstki lub fragmenty

cząsteczek tworzących dane

ciało) będąc wzbudzonymi

przechodzą ze stanu o wyższej

do stanu o niższej energii.

Przejściu temu towarzyszy

emisja kwantu

promieniowania

elektromagnetycznego o

energii równej różnicy energii

poziomów między, którymi

przeszła cząstka.

Widmo emisyjne
liniowe

Przykłady widm

Każdemu

pierwiastkowi

odpowiada specyficzny

dla niego,

niepowtarzalny układ

linii. Widmo jest więc

jak gdyby „wizytówką”

pierwiastka - składa

się z barwnych linii

różniących się między

sobą liczbą linii,

położeniem i ich barwą

Analiza widmowa

Jest to dział analizy instrumentalnej, w którym na podstawie

charakteru widma, poprzez położenia linii i pasm oraz natężenia,

można ustalić skład ilościowy i jakościowy danej substancji.

W roku 1859 Bunsen i Kirchoff odkryli, że pierwiastek w stanie

lotnym, w określonych warunkach pobudzony do świecenia, daje

tylko sobie właściwe widmo liniowe. Można pokusić się o

stwierdzenie, że widmo atomu jest jego „liniami papilarnymi”,

które pozwalają na jego bezbłędną identyfikacje i klasyfikację.

Każdy pierwiastek daje pewną, większą albo mniejszą liczbę linii

widmowych, w określonych barwach. Tak na przykład, wodór

atomowy pobudzony do świecenia daje cztery linie widmowe

widzialne: czerwoną, niebieską i dwie fioletowe.

Niektóre pierwiastki dotychczas nieznane zostały odkryte właśnie

dzięki metodzie analizy widmowej. Historia taka miała miejsce w

przypadku odkrycia helu. Najpierw zaobserwowano linie

widmowe w widmie Słońca, a dopiero później znaleziono ów

pierwiastek na Ziemi. Tą metodą odkryto też prawie wszystkie

gazy szlachetne, a także gal, ind i tal, których istnienie jest

trudne do stwierdzenia na drodze chemicznej.

Zastosowanie

Analizę widmową wykorzystuje się w kryminalistyce i medycynie

sądowej. Często na miejscu zbrodni zdarza się tak, że sprawca nie

pozostawił po sobie praktycznie żadnych widocznych śladów,

jednakże zawsze zostają mikroślady. Właśnie do ich badania

wykorzystuje się działy spektroskopii. Metodę analizy widmowej

wykorzystuje się także w technice do badania próbek stopów czy

stali, oraz do kontrolowania procesów technologicznych np.

podczas wytopu szkła. Metoda ta powszechnie jest również

stosowana w geologii i mineralogii do oceny zawartości pewnych

pierwiastków w wodzie, rudach czy minerałach.

Najszersze zastosowanie znajduje w dziedzinie sygnałów

akustycznych. Szczególne miejsce znajdują tu badania

audiometryczne prowadzące do określenia częstotliwościowych

charakterystyk słuchu, hałasu, a także akustyki pomieszczeń.

Analizy widmowe stosowane są również w diagnostyce

medycznej. Organizm ludzki jest obiektem generującym wiele

sygnałów elektrycznych które są wykorzystywane w procesie

diagnozowania. Do najbardziej znanych należą elektrokardiogram

(EKG) oraz elektroencyfalogram (EEG).

Spektografy

Spektrograf

to przyrząd do otrzymywania

i trwałej rejestracji widma przykładowo

promieniowania elektromagnetycznego.

Jest odmianą spektrometru, który

rejestruje analizowane widmo. Ze względu

na to że wszystkie (poza szkolnymi)

spektrometry rejestrują widma, podział na

spektrometry, spektroskopy, spektrografy

zanika i używa się określenia spektrometr.

Spektograf masowy

Zasada wykorzystania

Spektometry masowe

pierwotnie służyły do

wykrywania różnych

izotopów, potem do

wyznaczania ich mas.

Aktualnie stosuje się je

najczęściej w technice do

badania składu

chemicznego i

izotopowego różnych

substancji. Spektometr ze

źródłami jonów o dużej

wydajności są używane

jako separatory izotopów.

Spektograf siatkowy

W optyce w zależności od

rodzaju elementu

rozszczepiającego, spektrografy

mogą być pryzmatyczne lub

siatkowe. Za pomocą

spektrografów pryzmatycznych

pomiaru długości fali w widmie

dokonuje się zwykle

porównując badane widmo z

widmem wzorcowym. W

spektrografach przeznaczonych

do badania widm w

podczerwieni stosuje się

zazwyczaj zwierciadła wklęsłe

zamiast soczewek zbierających,

a jako odbiorniki

termoelementy lub

termoogniwa.

Ze względu na wygląd

widma

Widmo ciągłe

- ma postać ciągłego obszaru

lub szerokich pasów (widmo o składowych,

występujących w sposób ciągły wzdłuż skali

częstotliwości). Dla ciał stałych i cieczy -

widmo emisyjne jest ciągłe

Ze względu na wygląd

widma

Widmo liniowe

- ma postać oddzielnych linii na

pasku widmowym; typowo występuje dla atomów

gazów rozrzedzonych. Dla gazów prostych atomów

- widmo emisyjne przyjmuje często formę serii

dobrze rozseparowanych częstotliwości, które

spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ

tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność

określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany

widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie

na podstawie widm emisyjnych składu

pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

Ze względu na wygląd

widma

Widmo pasmowe

- widmo absorpcyjne lub widmo

emisyjne rejestrowane w zakresie światła

widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub

bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek

(znajdujących się w fazie gazowej). Widmo

pasmowe powstaje w wyniku przejść między

elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami

energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do

widma liniowego atomów, składającego się z dobrze

rozseparowanych pojedynczych linii widmowych

wynikających z przejść między poziomami

elektronowymi, w widmie pasmowym

zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-

rotacyjną.

Document Outline