¿Qué es un espectro? ¿Cómo realizar la detección espectral para determinar elementos?

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Análisis:

Espectro

Espectro

Luz Las ondas son producidas por electrones que se mueven dentro de los átomos. El movimiento de los electrones dentro de los átomos de diversos materiales es diferente, por lo que las ondas de luz que emiten también son diferentes. El estudio de la luminiscencia y la absorción de luz por diferentes sustancias tiene una importancia teórica y práctica importante y se ha convertido en un tema especializado: la espectroscopia. A continuación se muestra una breve introducción a algunos conocimientos sobre espectros.

Se utiliza un espectroscopio para observar el espectro. Aquí primero hablamos del principio de construcción del espectroscopio. La Figura 6-18 es un diagrama esquemático del principio estructural del espectroscopio. Está compuesto por el colimador A, el prisma P y el tubo telescópico B. Delante del colimador A se encuentra una rendija S de anchura ajustable, que se encuentra en el plano focal ① de la lente L1. Después de que la lente L1 refracta la luz incidente desde la rendija, se convierte en una luz paralela e incide en el prisma P. La luz de diferentes colores se emite en diferentes direcciones de refracción a través del prisma y converge en imágenes (líneas espectrales) de diferentes colores en el plano focal MN detrás de la lente L2. A través del ocular L3 del tubo B del telescopio se puede ver la imagen espectral ampliada. Si pones una película fotográfica en MN, puedes tomar una imagen de espectro. Un instrumento espectroscópico con este dispositivo se llama espectrógrafo.

Espectro de emisión El espectro producido directamente por la luminiscencia de un objeto se denomina espectro de emisión. Hay dos tipos de espectros de emisión: espectro continuo y espectro de líneas brillantes.

Un espectro distribuido continuamente que contiene varios colores de luz, desde la luz roja hasta la luz violeta, se denomina espectro continuo (Figura de color 6). Los espectros de emisión de sólidos calientes, líquidos y gases a alta presión son espectros continuos. Por ejemplo, la luz emitida por un filamento eléctrico y la luz emitida por acero fundido en caliente forman un espectro continuo.

Un espectro que contiene sólo algunas líneas brillantes discontinuas se llama espectro de líneas brillantes (Figura 7 de colores). Las líneas brillantes en el espectro de líneas brillantes se llaman líneas espectrales y cada línea espectral corresponde a luz de diferentes longitudes de onda. El espectro de emisión de gas enrarecido o vapor metálico es un espectro de líneas brillantes. El espectro de líneas brillantes lo emiten los átomos en estado libre, por lo que también se le llama espectro atómico. Para observar el espectro atómico de los gases, se puede utilizar un tubo espectroscópico (Figura 6-19). Es un tubo de vidrio cerrado con un medio relativamente delgado. Contiene gas a baja presión y tiene dos electrodos en ambos extremos del tubo. Cuando los dos electrodos se conectan a una fuente de alimentación de alto voltaje, se produce una descarga luminosa en el gas fino del tubo, que produce luz de un color determinado.

Para observar el espectro atómico de sustancias sólidas o líquidas, puedes ponerlas en la llama de una lámpara de gas o en un arco eléctrico para quemarlas, para que se vaporicen y emitan luz, y luego podrás ver su espectro de líneas brillantes del espectroscopio.

Los experimentos han demostrado que diferentes átomos emiten diferentes espectros de líneas brillantes. Los átomos de cada elemento tienen un espectro de líneas brillantes determinado. Color La Figura 7 muestra los espectros de líneas brillantes de varios elementos. Cada tipo de átomo sólo puede emitir luz de determinadas longitudes de onda con sus propias características. Por lo tanto, las líneas espectrales del espectro de líneas brillantes se denominan líneas espectrales características del átomo. Las líneas espectrales características de los átomos se pueden utilizar para identificar sustancias y estudiar la estructura de los átomos.

Espectro de absorción Cuando la luz blanca emitida por un objeto de alta temperatura (que contiene todas las longitudes de onda de luz distribuidas continuamente) pasa a través de la sustancia, el espectro producido después de que la sustancia absorba ciertas longitudes de onda de luz se llama el espectro de absorción.

Por ejemplo, si deja que la luz blanca emitida por una lámpara de arco pase a través de gas sodio de baja temperatura (ponga un poco de sal en la mecha de la lámpara de alcohol, la sal se descompondrá cuando se caliente para producir gas sodio) y luego la observe con En el espectroscopio, verá un espectro continuo. Hay dos líneas oscuras muy cerca una de la otra en el fondo (vea la imagen en color 8. Cuando la resolución del espectroscopio no es lo suficientemente alta, solo se puede ver una línea oscura). Este es el espectro de absorción de los átomos de sodio. Vale la pena señalar que cada línea oscura en el espectro de absorción de varios átomos corresponde a una línea brillante en el espectro de emisión de ese tipo de átomo. Esto muestra que la luz absorbida por los átomos de gas a baja temperatura es exactamente la luz emitida por dichos átomos a alta temperatura. Por lo tanto, las líneas espectrales (líneas oscuras) en el espectro de absorción son también las líneas espectrales características de los átomos, pero generalmente se ven menos líneas espectrales características en el espectro de absorción que en el espectro de líneas brillantes.

Análisis espectral Dado que cada átomo tiene su propia línea espectral característica, se puede identificar la sustancia y determinar su composición química en función del espectro. Este método se llama análisis espectral. Al realizar análisis espectrales, puede utilizar espectros de emisión o espectros de absorción. La ventaja de este método es que es muy sensible y rápido. Cuando el contenido de un determinado elemento en una sustancia alcanza los 10-10 gramos, sus líneas espectrales características se pueden encontrar en el espectro, por lo que se puede detectar. El análisis espectral se utiliza ampliamente en ciencia y tecnología. Por ejemplo, para comprobar si los materiales semiconductores silicio y germanio cumplen los requisitos de alta pureza, se utiliza el análisis espectral. Históricamente, el análisis espectral también ha ayudado a descubrir muchos elementos nuevos. Por ejemplo, el rubidio y el cesio se descubrieron al ver líneas espectrales características previamente desconocidas en el espectro. El análisis espectral también es útil para estudiar la composición química de los cuerpos celestes. A principios del siglo XIX, al estudiar el espectro solar, se descubrió que había muchas líneas oscuras en su espectro continuo (ver figura en color 9, que solo tiene algunas líneas oscuras importantes). Al principio, no sabíamos cómo se formaban estas líneas oscuras. Más tarde, cuando la gente conoció la causa del espectro de absorción, se dieron cuenta de que este es el espectro de absorción que se produce cuando la fuerte luz emitida por el sol pasa a través de una zona relativamente baja. -temperatura de la atmósfera solar. Al analizar cuidadosamente estas líneas oscuras y compararlas con las líneas espectrales características de varios átomos, la gente sabe que la atmósfera solar contiene docenas de elementos como hidrógeno, helio, nitrógeno, carbono, oxígeno, hierro, magnesio, silicio, calcio y sodio. .