Widma

Widma

Marcin Czajka

Marcin Czajka

Spis treści

Spis treści

1.

1.

Definicja widma spektroskopowego

Definicja widma spektroskopowego

2.

2.

Podział widm

Podział widm

3.

3.

Schemat widma sodu

Schemat widma sodu

4.

4.

Przykłady widm

Przykłady widm

5.

5.

Analiza widmowa

Analiza widmowa

6.

6.

Spektrografy

Spektrografy

7.

7.

Klasyfikacja widm

Klasyfikacja widm

Widmo spektroskopowe

Widmo spektroskopowe

To zarejestrowany obraz promieniowania

To zarejestrowany obraz promieniowania

rozłożony na częstotliwości, długości fali lub

rozłożony na częstotliwości, długości fali lub

energie, które zostało wyemitowane albo weszło

energie, które zostało wyemitowane albo weszło

w kontakt z analizowaną substancją, przeszło

w kontakt z analizowaną substancją, przeszło

przez nią lub zostało przez nią odbite. Widma są

przez nią lub zostało przez nią odbite. Widma są

w stanie dostarczyć szeregu cennych informacji

w stanie dostarczyć szeregu cennych informacji

o analizowanej substancji. Analizą i

o analizowanej substancji. Analizą i

tłumaczeniem mechanizmów powstawania widm

tłumaczeniem mechanizmów powstawania widm

zajmuje się spektroskopia, metoda badawcza

zajmuje się spektroskopia, metoda badawcza

wykorzystywana w wielu dziedzinach nauk

wykorzystywana w wielu dziedzinach nauk

doświadczalnych, głównie fizyce i chemii, i w

doświadczalnych, głównie fizyce i chemii, i w

zastosowaniach praktycznych (np. w

zastosowaniach praktycznych (np. w

medycynie).

medycynie).

Widmo spektroskopowe

Widmo spektroskopowe

Widma zawierają zwykle elementy

Widma zawierają zwykle elementy

charakterystyczne dla substancji

charakterystyczne dla substancji

obecnych w badanej próbce, widoczne w

obecnych w badanej próbce, widoczne w

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

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

najprostszym przypadku wykorzystuje się

najprostszym przypadku wykorzystuje się

je do analizy składu badanej próbki lub/i

je do analizy składu badanej próbki lub/i

zawartości w niej różnych składników

zawartości w niej różnych składników

(przykładem może być analiza składu

(przykładem może być analiza składu

chemicznego gwiazd na podstawie analizy

chemicznego gwiazd na podstawie analizy

widma emitowanego przez nie światła).

widma emitowanego przez nie światła).

Widmo spektroskopowe

Widmo spektroskopowe

Najprostsze widma jednowymiarowe mają

Najprostsze widma jednowymiarowe mają

zwykle postać wykresu, na którym na osi

zwykle postać wykresu, na którym na osi

pionowej zaznacza się zwykle

pionowej zaznacza się zwykle

intensywność promieniowania (lub stopień

intensywność promieniowania (lub stopień

jego absorpcji - dla widm absorpcyjnych),

jego absorpcji - dla widm absorpcyjnych),

a na osi poziomej liczbową

a na osi poziomej liczbową

charakterystykę używanego w danej

charakterystykę używanego w danej

spektroskopii promieniowania, np. długość

spektroskopii promieniowania, np. długość

fali, częstotliwość lub energię. Widma

fali, częstotliwość lub energię. Widma

przedstawia się czasem również w postaci

przedstawia się czasem również w postaci

paska świetlnego uzyskiwanego na

paska świetlnego uzyskiwanego na

ekranie lub na filmie fotograficznym.

ekranie lub na filmie fotograficznym.

Widma dzielimy na:

Widma dzielimy na:



Widma absorbcyjne

Widma absorbcyjne



Widma emisyjne

Widma emisyjne

Widmo absorbcyjne

Widmo absorbcyjne

Jest to widmo

Jest to widmo

powstające przy

powstające przy

przenikaniu

przenikaniu

promieniowania przez

promieniowania przez

materię dla niego

materię dla niego

przezroczystą. W

przezroczystą. W

przypadku fal

przypadku fal

elektromagnetycznych

elektromagnetycznych

atomy ośrodka

atomy ośrodka

pochłaniają rezonansowo

pochłaniają rezonansowo

promieniowanie o energii

promieniowanie o energii

odpowiadającej swojej

odpowiadającej swojej

strukturze energetycznej

strukturze energetycznej

i natychmiast potem

i natychmiast potem

spontanicznie emitują

spontanicznie emitują

światło, przy czym emisja

światło, przy czym emisja

owa zachodzi izotropowo.

owa zachodzi izotropowo.

Widmo absorbcyjne
liniowe

Widma emisyjne

Widma emisyjne

Jest to widmo

Jest to widmo

spektroskopowe, które jest

spektroskopowe, które jest

obrazem promieniowania

obrazem promieniowania

elektromagnetycznego

elektromagnetycznego

wysyłanego przez ciało.

wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje gdy

Widmo emisyjne powstaje gdy

obdarzone ładunkiem

obdarzone ładunkiem

elektrycznym (elektrony,

elektrycznym (elektrony,

atomy, cząstki lub fragmenty

atomy, cząstki lub fragmenty

cząsteczek tworzących dane

cząsteczek tworzących dane

ciało) będąc wzbudzonymi

ciało) będąc wzbudzonymi

przechodzą ze stanu o wyższej

przechodzą ze stanu o wyższej

do stanu o niższej energii.

do stanu o niższej energii.

Przejściu temu towarzyszy

Przejściu temu towarzyszy

emisja kwantu

emisja kwantu

promieniowania

promieniowania

elektromagnetycznego o

elektromagnetycznego o

energii równej różnicy energii

energii równej różnicy energii

poziomów między, którymi

poziomów między, którymi

przeszła cząstka.

przeszła cząstka.

Widmo emisyjne
liniowe

Schemat widma sodu: a)

Schemat widma sodu: a)

emisyjne, b) absorpcyjne.

emisyjne, b) absorpcyjne.

Przykłady widm

Przykłady widm

Każdemu

Każdemu

pierwiastkowi

pierwiastkowi

odpowiada specyficzny

odpowiada specyficzny

dla niego,

dla niego,

niepowtarzalny układ

niepowtarzalny układ

linii. Widmo jest więc

linii. Widmo jest więc

jak gdyby „wizytówką”

jak gdyby „wizytówką”

pierwiastka - składa

pierwiastka - składa

się z barwnych linii

się z barwnych linii

różniących się między

różniących się między

sobą liczbą linii,

sobą liczbą linii,

położeniem i ich barwą

położeniem i ich barwą

Analiza widmowa i jej

Analiza widmowa i jej

zastosowanie

zastosowanie

Analiza widmowa

Analiza widmowa

Jest to dział analizy instrumentalnej, w którym na podstawie

Jest to dział analizy instrumentalnej, w którym na podstawie

charakteru widma, poprzez położenia linii i pasm oraz natężenia,

charakteru widma, poprzez położenia linii i pasm oraz natężenia,

można ustalić skład ilościowy i jakościowy danej substancji.

można ustalić skład ilościowy i jakościowy danej substancji.

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

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

lotnym, w określonych warunkach pobudzony do świecenia, daje

lotnym, w określonych warunkach pobudzony do świecenia, daje

tylko sobie właściwe widmo liniowe. Można pokusić się o

tylko sobie właściwe widmo liniowe. Można pokusić się o

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

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

które pozwalają na jego bezbłędną identyfikacje i klasyfikację.

które pozwalają na jego bezbłędną identyfikacje i klasyfikację.

Każdy pierwiastek daje pewną, większą albo mniejszą liczbę linii

Każdy pierwiastek daje pewną, większą albo mniejszą liczbę linii

widmowych, w określonych barwach. Tak na przykład, wodór

widmowych, w określonych barwach. Tak na przykład, wodór

atomowy pobudzony do świecenia daje cztery linie widmowe

atomowy pobudzony do świecenia daje cztery linie widmowe

widzialne: czerwoną, niebieską i dwie fioletowe.

widzialne: czerwoną, niebieską i dwie fioletowe.

Niektóre pierwiastki dotychczas nieznane zostały odkryte właśnie

Niektóre pierwiastki dotychczas nieznane zostały odkryte właśnie

dzięki metodzie analizy widmowej. Historia taka miała miejsce w

dzięki metodzie analizy widmowej. Historia taka miała miejsce w

przypadku odkrycia helu. Najpierw zaobserwowano linie

przypadku odkrycia helu. Najpierw zaobserwowano linie

widmowe w widmie Słońca, a dopiero później znaleziono ów

widmowe w widmie Słońca, a dopiero później znaleziono ów

pierwiastek na Ziemi. Tą metodą odkryto też prawie wszystkie

pierwiastek na Ziemi. Tą metodą odkryto też prawie wszystkie

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

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

trudne do stwierdzenia na drodze chemicznej.

trudne do stwierdzenia na drodze chemicznej.

Zastosowanie

Zastosowanie

Analizę widmową wykorzystuje się w kryminalistyce i medycynie

Analizę widmową wykorzystuje się w kryminalistyce i medycynie

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

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

pozostawił po sobie praktycznie żadnych widocznych śladów,

pozostawił po sobie praktycznie żadnych widocznych śladów,

jednakże zawsze zostają mikroślady. Właśnie do ich badania

jednakże zawsze zostają mikroślady. Właśnie do ich badania

wykorzystuje się działy spektroskopii. Metodę analizy widmowej

wykorzystuje się działy spektroskopii. Metodę analizy widmowej

wykorzystuje się także w technice do badania próbek stopów czy

wykorzystuje się także w technice do badania próbek stopów czy

stali, oraz do kontrolowania procesów technologicznych np.

stali, oraz do kontrolowania procesów technologicznych np.

podczas wytopu szkła. Metoda ta powszechnie jest również

podczas wytopu szkła. Metoda ta powszechnie jest również

stosowana w geologii i mineralogii do oceny zawartości pewnych

stosowana w geologii i mineralogii do oceny zawartości pewnych

pierwiastków w wodzie, rudach czy minerałach.

pierwiastków w wodzie, rudach czy minerałach.

Najszersze zastosowanie znajduje w dziedzinie sygnałów

Najszersze zastosowanie znajduje w dziedzinie sygnałów

akustycznych. Szczególne miejsce znajdują tu badania

akustycznych. Szczególne miejsce znajdują tu badania

audiometryczne prowadzące do określenia częstotliwościowych

audiometryczne prowadzące do określenia częstotliwościowych

charakterystyk słuchu, hałasu, a także akustyki pomieszczeń.

charakterystyk słuchu, hałasu, a także akustyki pomieszczeń.

Analizy widmowe stosowane są również w diagnostyce

Analizy widmowe stosowane są również w diagnostyce

medycznej. Organizm ludzki jest obiektem generującym wiele

medycznej. Organizm ludzki jest obiektem generującym wiele

sygnałów elektrycznych które są wykorzystywane w procesie

sygnałów elektrycznych które są wykorzystywane w procesie

diagnozowania. Do najbardziej znanych należą elektrokardiogram

diagnozowania. Do najbardziej znanych należą elektrokardiogram

(EKG) oraz elektroencyfalogram (EEG).

(EKG) oraz elektroencyfalogram (EEG).

Spektografy

Spektografy

Spektrograf

Spektrograf

to przyrząd do otrzymywania

to przyrząd do otrzymywania

i trwałej rejestracji widma przykładowo

i trwałej rejestracji widma przykładowo

promieniowania elektromagnetycznego.

promieniowania elektromagnetycznego.

Jest odmianą spektrometru, który

Jest odmianą spektrometru, który

rejestruje analizowane widmo. Ze względu

rejestruje analizowane widmo. Ze względu

na to że wszystkie (poza szkolnymi)

na to że wszystkie (poza szkolnymi)

spektrometry rejestrują widma, podział na

spektrometry rejestrują widma, podział na

spektrometry, spektroskopy, spektrografy

spektrometry, spektroskopy, spektrografy

zanika i używa się określenia spektrometr.

zanika i używa się określenia spektrometr.

Spektograf masowy

Spektograf masowy

Zasada wykorzystania

Zasada wykorzystania

Spektometry masowe

Spektometry masowe

pierwotnie służyły do

pierwotnie służyły do

wykrywania różnych

wykrywania różnych

izotopów, potem do

izotopów, potem do

wyznaczania ich mas.

wyznaczania ich mas.

Aktualnie stosuje się je

Aktualnie stosuje się je

najczęściej w technice do

najczęściej w technice do

badania składu

badania składu

chemicznego i

chemicznego i

izotopowego różnych

izotopowego różnych

substancji. Spektometr ze

substancji. Spektometr ze

źródłami jonów o dużej

źródłami jonów o dużej

wydajności są używane

wydajności są używane

jako separatory izotopów.

jako separatory izotopów.

Spektograf siatkowy

Spektograf siatkowy

W optyce w zależności od

W optyce w zależności od

rodzaju elementu

rodzaju elementu

rozszczepiającego, spektrografy

rozszczepiającego, spektrografy

mogą być pryzmatyczne lub

mogą być pryzmatyczne lub

siatkowe. Za pomocą

siatkowe. Za pomocą

spektrografów pryzmatycznych

spektrografów pryzmatycznych

pomiaru długości fali w widmie

pomiaru długości fali w widmie

dokonuje się zwykle

dokonuje się zwykle

porównując badane widmo z

porównując badane widmo z

widmem wzorcowym. W

widmem wzorcowym. W

spektrografach przeznaczonych

spektrografach przeznaczonych

do badania widm w

do badania widm w

podczerwieni stosuje się

podczerwieni stosuje się

zazwyczaj zwierciadła wklęsłe

zazwyczaj zwierciadła wklęsłe

zamiast soczewek zbierających,

zamiast soczewek zbierających,

a jako odbiorniki

a jako odbiorniki

termoelementy lub

termoelementy lub

termoogniwa.

termoogniwa.

Spektrometr

Spektrometr

pryzmatyczny

pryzmatyczny

Najprostszy

przyrząd do
uzyskiwania obrazu
widm różnych
źródeł światła jest
spektroakopu
pryzmatyczny,
którego schemat
przedstawiono na
rysunku.

Klasyfikacja widm

Klasyfikacja widm

Ze względu na wygląd

Ze względu na wygląd

widma

widma

Widmo ciągłe

Widmo ciągłe

- ma postać ciągłego obszaru

- ma postać ciągłego obszaru

lub szerokich pasów (widmo o składowych,

lub szerokich pasów (widmo o składowych,

występujących w sposób ciągły wzdłuż skali

występujących w sposób ciągły wzdłuż skali

częstotliwości). Dla ciał stałych i cieczy -

częstotliwości). Dla ciał stałych i cieczy -

widmo emisyjne jest ciągłe

widmo emisyjne jest ciągłe

Ze względu na wygląd

Ze względu na wygląd

widma

widma

Widmo liniowe

Widmo liniowe

- ma postać oddzielnych linii na

- ma postać oddzielnych linii na

pasku widmowym; typowo występuje dla atomów

pasku widmowym; typowo występuje dla atomów

gazów rozrzedzonych. Dla gazów prostych atomów

gazów rozrzedzonych. Dla gazów prostych atomów

- widmo emisyjne przyjmuje często formę serii

- widmo emisyjne przyjmuje często formę serii

dobrze rozseparowanych częstotliwości, które

dobrze rozseparowanych częstotliwości, które

spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ

spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ

tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność

tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność

określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany

określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany

widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie

widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie

na podstawie widm emisyjnych składu

na podstawie widm emisyjnych składu

pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

Ze względu na wygląd

Ze względu na wygląd

widma

widma

Widmo pasmowe

Widmo pasmowe

- widmo absorpcyjne lub widmo

- widmo absorpcyjne lub widmo

emisyjne rejestrowane w zakresie światła

emisyjne rejestrowane w zakresie światła

widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub

widzialnego, niezbyt dalekiego nadfioletu lub

bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek

bliskiej podczerwieni dla swobodnych cząsteczek

(znajdujących się w fazie gazowej). Widmo

(znajdujących się w fazie gazowej). Widmo

pasmowe powstaje w wyniku przejść między

pasmowe powstaje w wyniku przejść między

elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami

elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnymi poziomami

energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do

energetycznymi cząsteczek. W przeciwieństwie do

widma liniowego atomów, składającego się z dobrze

widma liniowego atomów, składającego się z dobrze

rozseparowanych pojedynczych linii widmowych

rozseparowanych pojedynczych linii widmowych

wynikających z przejść między poziomami

wynikających z przejść między poziomami

elektronowymi, w widmie pasmowym

elektronowymi, w widmie pasmowym

zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-

zaobserwować można bogatą strukturę oscylacyjno-

rotacyjną.

rotacyjną.

Serie widmowe wodoru

Serie widmowe wodoru

Seria widmowa to uporządkowany zbiór przejść energetycznych

Seria widmowa to uporządkowany zbiór przejść energetycznych

atomu z poziomów wyższych na jeden dany poziom.

atomu z poziomów wyższych na jeden dany poziom.