«АТОМНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2005 В.И. Барсуков АТОМНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2005 УДК 543.42 ББК 344 Б26 Р е ц е н з е н т ы: Доктор химических ...»

В.И. Барсуков

АТОМНЫЙ

СПЕКТРАЛЬНЫЙ

АНАЛИЗ

МОСКВА

«ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

2005

В.И. Барсуков

АТОМНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

МОСКВА

«ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1»

2005 УДК 543.42 ББК 344 Б26 Р е ц е н з е н т ы:

Доктор химических наук, профессор В.И. Вигдорович Доктор химических наук, профессор А.А. Пупышев Кандидат физико-математических наук В.Б. Белянин Барсуков В.И.

Б26 Атомный спектральный анализ. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2005. 132 с.

Рассмотрены теоретические основы оптической спектроскопии, в том числе эмиссионной (с различными источниками возбуждения спектров), пламенной фотометрии и методов атомной абсорбции с пламенными и электротермическими атомизаторами, а также принципы действия, оптические и электрические схемы основных приборов, используемых в практической спектроскопии, методы определения состава проб различного происхождения; некоторые инструментальные способы повышения чувствительности пламеннофотометрических методов.

Предназначена для специалистов, работающих в промышленных, агрохимических и научноисследовательских аналитических лабораториях.

Может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов.

УДК 543. ББК Барсуков В.И., ISBN 5-94275-179-X «Издательство Машиностроение-1», Научное издание БАРСУКОВ Владимир Иванович

АТОМНЫЙ

СПЕКТРАЛЬНЫЙ

АНАЛИЗ

Монография Редактор Т.М. Г л и н к и н а Инженер по компьютерному макетированию Т.А. С ы н к о в а Подписано к печати 30.03. Формат 60 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная Объем: 7,67 усл. печ. л.; 7,5 уч.-изд. л.

Тираж 400 экз. С. 200М «Издательство Машиностроение-1», 107076, Москва, Стромынский пер., Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к. Барсуков Владимир Иванович – кандидат химических наук, доцент кафедры физики Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ), научный руководитель лаборатории спектрального анализа при кафедре физики ТГТУ.

В течение многих лет занимается исследованиями в области пламенного эмиссионного и атомно-абсорбционного методов анализа с целью повышения их чувствительности и точности инструментальными способами.

Организатор нескольких школ передового опыта для работников аналитических лабораторий сельскохозяйственных и промышленных предприятий, а также девяти Тамбовских областных научнотехничес-ких конференций по спектральному анализу и его применению, в работе которых принимали участие ведущие ученые из различных регионов страны.

Автор более 200 научных и учебно-методических работ.

ВВЕДЕНИЕ

Среди различных аналитических (химических, физико-химических и др.) методов изучения химического состава вещества оптический спектральный анализ (эмиссионный и атомно-абсорбционный) является одним из самых быстро развивающихся и применяющихся на практике методов анализа.

Круг вопросов, которые решаются методами спектрального анализа, весьма обширен: анализ особо чистых веществ, бездефектный контроль готовых изделий, экспресс-анализ металлургического литья, разведка рудных месторождений, анализ лунного грунта и состава звездного вещества, контроль промышленных и бытовых сточных вод, загрязнения воздушного бассейна и воздушной среды производственных помещений и т.д. В соответствии с этим методы спектрального анализа берут себе на вооружение специалисты самых различных областей знаний: металлурги, химики, биологи, астрономы, работники сельского хозяйства и медицины, физики и др.

Одним из главных достоинств спектрального анализа является его непревзойденно высокая экспрессность. В считанные секунды с помощью простейшего переносного стилометра проводится маркировочный анализ для контроля химического состава поступающего сырья и материалов. Применение квантометра для экспресс-анализа плавки металла, например, в крупных конвертерах, где весь процесс заканчивается за 30 мин, позволяет в течение одной минуты произвести определение 10 – 12 элементов, что дает возможность своевременно ввести необходимую корректировку в процесс плавки. Подобные примеры подтверждают необходимость знаний основ и методов спектрального анализа современному инженеру.

1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И

ЕГО РОЛЬ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

Спектральные методы анализа основаны на способностях атомов и молекул поглощать или испускать электромагнитное излучение при изменении внутренней энергии вещества.

Характер этого излучения и определяет методы спектрального анализа, к которым относятся, например, рентгеноспектральные, радиоспектральные и оптические методы анализа.

Рентгеноспектральные методы основаны на изучении спектров поглощения и спектров испускания вещества, лежащих в рентгеновской области электромагнитного излучения.

Радиоспектральные методы анализа изучают спектры молекул радиоволнового диапазона длин волн.

Оптические методы исследуют спектры, лежащие в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях.

Атомный спектральный Молекулярный Настоящая книга посвящена рассмотрению теории и практики только оптических методов спектрального анализа, принципиальная схема которых представлена на рис. 1.

Открытие спектрального анализа было подготовлено классическими исследованиями Ньютона, Волластона, Фраунгофера и других ученых. Были известны факты, указывающие на характеристичность излучения ряда веществ. Так, Тольбат еще в 1826 г. производил эксперименты с окрашенными пламенами, а Алтер в 1854 г. предложил признаки для определения некоторых металлов по их искровым спектрам. Однако годом рождения эмиссионного спектрального анализа считается 1859 г., когда немецкие физик Кирхгоф и химик Бунзен опубликовали совместную работу по обнаружению щелочных металлов с помощью спектроскопа и установили, что атомы поглощают те же самые длины волн, что и испускают, и что каждому химическому элементу принадлежит свой, характерный для него, и только для него, линейчатый спектр, который является такой же постоянной характеристикой элемента, как, скажем, его атомный вес. Это обстоятельство и положено в основу спектрального анализа.

Проба 3 – поглощающая ячейка; 4 – спектральный аппарат; 5 – регистрация спектра;

9 – количественный анализ пробы по градуировочному графику До 1923 г. спектральный анализ имел, главным образом, качественный характер и сыграл важную роль в открытии новых элементов. Методами спектрального анализа было открыто 25 элементов периодической системы Д.И. Менделеева, в том числе: цезий и рубидий (Кирхгоф и Бунзен, 1861 г.), таллий (Крукс, 1861 г.), индий (Райх и Рихтер, 1863 г.), галлий (Лекок де Буабордан, 1875 г.), гелий (Локьер, 1868 г.). Рамзаем и Рэлеем были открыты инертные газы аргон, неон, ксенон и криптон; затем были открыты 14 редкоземельных элементов и, наконец, в 1923 г. гафний.

В чисто производственной обстановке спектральный анализ начал использоваться в 1923 г. в Англии для сортировки предназначенного к переплавке металлического лома, при этом применялся спектроскоп с дифракционной решеткой.

В России качественный спектральный анализ впервые широко применил в 1909 г. академик В.И.

Вернадский при геохимических исследованиях.

Начиная с 1930-х гг., атомная спектроскопия развивается как способ количественного определения элементов и становится основным методом исследования состава вещества в самых различных областях науки и техники: металлургии, геологии, астрономии, биологии, медицине и др.

Основными преимуществами спектроскопии перед другими методами анализа являются:

высокая чувствительность (10–5…10–7 %) – практически чувствительность спектрального анализа всегда выше чувствительности весового химического анализа;

достаточно хорошая точность (3…5 %) – при малых концентрациях точность спектрального анализа превосходит точность химического анализа и может несколько уступать ему при больших концентрациях;

экспрессность – в абсолютном большинстве случаев при спектральном анализе затраты времени от взятия пробы и до получения конечного результата несравнимо меньше, чем при других методах анализа;

многокомпонентность – методами спектрального анализа возможно одновременное определение 20 и более элементов, в то время как при химическом анализе возможно только раздельное определение каждого элемента, для чего требуется проведение отдельных специфических реакций;

контроль изделий без их разрушений – спектроскопия остается единственным доступным методом анализа крупногабаритных изделий и предметов, не допускающих повреждения их поверхностей;

требование малого количества анализируемого образца – во многих случаях для проведения спектрального анализа достаточно сотых долей грамма исследуемого вещества;

универсальность – практически одни и те же методы спектрального анализа пригодны для определения различных элементов и в самых разнообразных объектах – от природного сырья до живой клетки;

документальность – при фотографическом варианте метода (получение фотопластинки) или при фотоэлектрической регистрации (лента самописца или распечатка) результаты анализа могут храниться длительное время и быть документом, по которому можно многократно произвести проверку правильности и точности анализа.

Наконец, имеется область исследований, не доступная до настоящего времени никаким другим методам анализа, кроме спектрального. Речь идет об изучении состава небесных тел и межзвездного вещества. Спектральный метод анализа имеет в этой области полную монополию.

2. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Спектральный прибор служит для получения спектров падающего на его вход излучения. Оптическая схема любого спектрального прибора (рис. 2) состоит из следующих узлов: входной щели 2, которая вырезает из светового потока пучок нужной формы; коллиматорного объектива 3, служащего для получения пучка света и направления его на диспергирующую систему 4, которая разлагает поток света в спектр; камерного объектива 5 с фокусным расстоянием F2, фокусирующим изображения входной щели 2 в фокальной плоскости 6. Число этих щелей (линий) будет равно числу различных длин волн, излучаемых источником света 1.

Качество спектрального прибора характеризуется:

1) угловой дисперсией D = – изменением угла отклонения на единицу изменения длины волны;

2) линейной дисперсией Dl = = 2 1 – расстоянием между линиями в спектре, различающимися на единицу длины волны. На практике часто пользуются величиной L =, называемой обl ратной дисперсией (нм/мм). Линейная дисперсия связана с угловой соотношением Dl = D F2, где F2 – фокусное расстояние камерного объектива;

3) разрешающей способностью R = – отношением длины волны, для которой определяют разрешающую способность спектрального прибора, к разности двух наиболее близких длин волн, которые могут быть разрешены данным прибором;

4) светосилой L0 – величиной, характеризующей яркость изображения спектра на фотопластинке или лучистый поток, проходящий через выходную щель прибора. Для линейчатого спектра L0 = a, где а – коэффициент, учитывающий потери света в оптической системе; D – диаметр объектива коллимаD тора; – относительное отверстие фокусирующей системы со стороны камеры; F – фокусное расстояF ние камеры объектива.

Разрешение линий, близких по длинам волн, в большей степени определяется шириной изображения, зависящего в свою очередь от ширины щели;

5) инсрументальной шириной линии S, т.е. шириной спектральной линии, даваемой спектрографом для бесконечно узкой щели; она зависит от длины волны падающего света, угла наклона фотопластинки к лучу с данной длиной волны и относительного отверстия камерного объектива:

Спектральные приборы классифицируются следующим образом.

1. По применяемым диспергирующим системам: призменные и дифракционные.

2. По используемой области спектра: инфракрасные, ультрафиолетовые, вакуумного ультрафиолета и приборы видимой области.

3. По способам регистрации: визуальные, фотографические и фотоэлектрические.

В качестве диспергирующих систем, как правило, применяются призмы и дифракционные решетки.

Диспергирующие системы являются основой любого спектрального прибора. Их назначение – разложение света в спектр. Преломляющее ребро призмы, а в случае дифракционной решетки ее штрихи располагаются параллельно входной щели спектрального прибора.

Действие призмы основано на том, что показатель преломления всех веществ зависит от длины волны падающего света. Следовательно, угол отклонения луча призмы будет различным для разных длин волн. На рис. 3 преломляющий угол А образован преломляющими гранями призмы I и II. Луч, падающий на переднюю грань призмы, образует угол с нормалью N1. Преломившись, он пойдет внутри призмы под углом к нормали и упадет под углом 1 на заднюю грань призмы. Из призмы луч выходит под углом 1 к нормали N2, отклонившись на некоторый угол от своего первоначального направления.

Ход лучей в главном сечении призмы можно рассчитать по формулам:

где n – показатель преломления материала.

Луч после прохождения через призму откланяется в сторону ее основания на угол = + A. Этот угол принимает минимальное значение при симметричном ходе лучей в призме, когда = 1 = 0 и найдено из соотношения:

Для призмы, имеющей в сечении, перпендикулярном преломляющему ребру, правильный треугольник (рис. 4), при угле наименьшего отклонения преломленный луч внутри призмы пойдет параллельно ее основанию.

Дисперсия призмы вблизи угла наименьшего отклонения выражается формулой:

Для получения большей угловой дисперсии необходимо применять призмы с большим преломляющим углом и из материала с большими значениями показателя преломления. На практике целесообразней использовать призмы с углом А = 60. При этих условиях угловая дисперсия определяется как:

получается при определенном выборе критерия разрешения, которая носит название критерия Рэлея.

Согласно этому критерию две линии считаются разрешенными, если их максимумы находятся друг от друга на расстоянии не меньше, чем расстояние от максимума до первого минимума (рис. 5).

Ряд прозрачных щелей, разделенных одинаковыми непрозрачными полосами (штрихами), носит название дифракционной решетки. Расстояние d между штрихами называется постоянной решетки. Обратная ее величина показывает число штрихов на единицу длины N =.

Между углом падения луча на решетку i и углом дифракции имеет место соотношение d (sin sin i ) = k, где k = 0, ±1, ±2, … – порядок дифракционного максимума; при k = 0 – нулевой порядок, k = 1 – первый порядок и т.д. (рис. 7).

Угловая дисперсия дифракционной решетки определяется по формуле при = 0, т.е. вблизи нулевого порядка cos 1: D k / d.

Угловая дисперсия решетки меняется с изменением длины волны очень медленно. Можно показать, что разрешающая способность дифракционной решетки определяется выражением R = kN, т.е. только числом штрихов и порядком спектра.

Дифракционные решетки обладают рядом преимуществ перед призмами. Область длин волн, в которых могут применяться призмы, ограничивается наличием прозрачных материалов, пригодных для их изготовления. Решетка может работать в более широком диапазоне длин волн. Дисперсия призмы значительно меняется с длиной волны, быстро возрастая по мере приближения к коротковолновой или длинноволновой границе поглощения материала. Угловая дисперсия решетки почти не зависит от длины волны (рис. 6).

2.3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

В зависимости от способа регистрации спектральные приборы делятся на: 1) стилоскопы и стилометры, предназначенные для визуального наблюдения спектров; 2) спектрографы – для фотографической регистрации спектров; 3) монохроматоры, имеющие выходную щель для выделения монохроматического света строго определенной длины волны с последующей регистрацией его интенсивности при помощи фотоэлектрического преобразователя. Рассмотрим последовательно эти типы спектральных приборов.

Эти приборы предназначены для визуального анализа, поэтому их рабочая спектральная область охватывает примерно 390…700 нм. Они применяются при качественных и полуколичественных массовых анализах, которые не требуют большой точности (порядка 25…50 %); сортировке стали и сплавов, в геологии, анализе готовых изделий и т.д. Для обеспечения достаточно высокой разрешающей способности они снабжены диспергирующей системой, состоящей из нескольких стеклянных призм, как правило из трех. В качестве источника излучения обычно используют дуговой разряд, реже – искровой.

С т и л о с к о п ы – это спектроскопы, имеющие специальное устройство для перехода от одного участка спектра к другому. Промышленность выпускает два типа стилоскопов – стационарные и переносные. В спектральных лабораториях имеются много приборов разных марок. Рассмотрим некоторые из них. Стилоскоп СЛ-3, его внешний вид показан на рис. 8.

На станине 1, снабженной тремя установочными винтами, размещены: коллиматор, корпус, зрительная труба и окулярное устройство. Коллиматорная труба 2 несет щель и объектив. Щель 3 состоит из двух ножей, расстояние между лезвиями которых равно 0,03 мм, ножи устанавливаются при сборке и закрепляются. Корпус 4 содержит три диспергирующие призмы и прямоугольную призму. Установка призм про-изводится при сборке стилоскопа. Камера зрительной трубы 5 в своей части, обращенной к призмам, имеет объектив; с другого конца к ней прикреплено окулярное устройство 6, позволяющее перемещать окуляр 7 вдоль спектра и получать резкое изображение различных областей спектра. Фокусировка осуществляется вращением накатанного кольца 9 на окуляре 7. В поле зрения окуляра находится указатель в виде острия, устанавливаемого на отдельные спектральные линии.

На крышке окулярного устройства сверху укрепляется шкала с выгравированными на ней символами химических элементов. К прибору прилагаются две сменные верхние шкалы 10 и 15 (рис. 9). Шкала 10 применяется при сортировке легированных сталей, шкала 15 служит для сортировки цветных сплавов на медной основе.

С помощью индекса 11 можно устанавливать окуляр по делениям верхней шкалы. При совпадении индекса с нанесенной на верхней шкале риской символа какого-либо элемента в поле зрения окуляра видна область спектра, в которой расположены применяемые для анализа данного элемента спектральные линии.

Миллиметровая шкала 13 имеет деления от 0 до 90 мм. Отсчет по этой шкале производится с помощью бокового наружного индекса 14. Пользуясь этой шкалой и дисперсионной кривой, прилагаемой к прибору, можно устанавливать окуляр на нужную область спектра.

Рис. 9. Окулярная часть стилоскопа СЛ-3 со сменными шкалами Для анализа крупногабаритных изделий применяется переносной стилоскоп типа СЛП-2 (рис. 10).

Нужная область спектра в этом приборе устанавливается в поле зрения окуляра барабаном, который связан с механизмом поворота призмы. Стилоскоп имеет небольшой вес и удобен в обращении. Он работает в комплекте с переносным дуговым генератором.

Включение генератора осуществляется с помощью рукоятки 12 (рис. 10), смонтированной на стилоскопе.

Стационарным является стилоскоп типа СЛ-11 (рис. 11). Выведение нужной области спектра осуществляется маховичком, который связан с поворотным механизмом призмы и с барабаном, имеющим миллиметровую шкалу и шкалу с символами элементов. В нижней части прибора помещен генератор.

Анализируемый образец произвольной 1 – подставной электрод; 2 – защитные пластинки; 3 – поворотная призма;

4 – конденсор; 5 – щель; 6 – объектив; 7 и 8 – призмы; 9 – поворотная призма;

10 – окуляр;11 – барабан длин волн; 12 – рукоятка включения генератора 1 – источник света; 2 – конденсоры; 3 – щель; 4 – поворотная призма;

5 – объектив; 6 – диспергирующая система; 7 – поворотная призма;

8 – плоское зеркало; 9 – окуляр; 10 – рукоятка для перемещения и вращения 12 – корпус спектрального аппарата; 13 – шкала фотометрического клина;

14 – генератор; 15 – переключатель рода разряда; 16 – выключатель генератора;

формы помещается на столик в левой части стилометра. В фокальную плоскость можно вводить фотометрический клин переменной плотности, который поглощает часть света. Это дает возможность ослаблять ту линию в спектре, которая проходит через клин, при этом интенсивность остального спектра не меняется.

Таким образом, это устройство позволяет сравнить интенсивности двух линий и превращает стилоскоп в простейший стилометр. Разрешающую способность стилоскопа проверяют по линиям в дуговом спектре железа (табл. 1). Исправный прибор дает хорошее разрешение Проверка разрешения Проверка освещенности Fe 6136,62 – Fe 6137,70 A каждой пары линий. Линии в спектре должны иметь равномерную яркость по высоте. В дуговом спектре железа при токе 4 А и медном подставном электроде четко видны над сплошным фоном линии, указанные в таблице.

С т и л о м е т р – это стилоскоп, снабженный фотометром для количественного измерения относительной интенсивности спектральных линий. Например, стилометр СТ-7 (рис. 12), собранный в виде компактного прибора, в котором совмещены спектральный аппарат, фотометр и тубус с однолинзовой осветительной системой. Щель, ширину которой можно регулировать, расположена в фокусе объектива.

Световой поток, идущий от щели к объективу, поворачивается на 90° поворотной призмой. Фокусировку коллиматора производят перемещением объектива вдоль его оптической оси. Диспергирующая система состоит из двух 60-градусных призм и одной призмы постоянного отклонения.

Вывод нужной области спектра осуществляется одновременным вращением всей диспергирующей системы. Оптическая ось камерного объектива дважды поворачивается поворотной призмой так, что остальная часть оптической схемы оказывается расположенной выше. Это и обеспечивает большую компактность прибора.

В фокальной поверхности камерного объектива расположен фотометр, оптическая система которого вторично строит изображение спектра перед окуляром. Фотометр позволяет ослаблять в случае необходимости любую из линий аналитической пары. Кроме того, можно сближать между собой в поле зрения аналитическую пару линий, что позволяет значительно повысить точность измерений. Стилометр может работать в комплекте с генераторами дуговыми ДГ-2 или искровыми ИГ-3, а также другими источниками света.

1 – шириной щели; 2 – перемещением объектива; 3 – вращением призм;

б – оптическая схема (вертикальное и горизонтальное сечения):

1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – щель; 4 и 10 – поворотные призмы;

5 и 9 – объективы; 6, 7 и 8 – призмы; 11 – фотометр; 12 – окуляр; 13 – диафрагма;

3 – объективы; 5 – зеркальная поверхность; 7 – окуляр; 8 – диафрагма С п е к т р о г р а ф ы – это спектральные аппараты, в которых спектр регистрируется фотографическим методом. Они служат, главным образом, для работы с эмиссионными спектрами, но могут быть легко использованы и для получения спектров поглощения. Наиболее распространенными являются кварцевые призменные спектрографы типа ИСП-22, ИСП-28, ИСП-30. Последний (рис. 13 и 14) отличается тем, что имеет автоматическую установку времени обжига, экспозиции и перемещения кассеты.

Рабочая область спектра 200…600 нм.

Каждый спектральный прибор (из выше перечисленных) имеет в качестве диспергирующей системы 60-градусную кварцевую призму с основанием 42 мм и высотой 30 мм. Увеличение оптической системы при длине волны 257,3 нм равно 1,2. Разрешающая способность перечисленных приборов в области 300,0 нм – 10 000. В этой области разрешаются спектральные линии, различающиеся не менее чем 0,03 нм. В коротковолновой части искрового спектра железа разрешается дуплет 234,81 и 234,83 нм и триплет 310,0 нм при ширине щели 0,005 нм.

Оптическая схема спектрографа ИСП-30 представлена на рис. 14, а. Свет от источника излучения проходит трехлинзовый осветитель, состоящий из конденсоров 2, 3 и 4, щель 6 и попадает на зеркальный коллиматорный объектив 7, который отклоняет падающие на него лучи на угол 2°17'. Параллельный пучок, идущий от зеркального объектива, падает на призму 8, разлагающую его в спектр. Кварцевый объектив 9 собирает лучи в своей фокальной плоскости. Зеркало 10 поворачивает пучок света на угол 48°11' и направляет его на фотопластинку 11.

Рис. 14. Оптическая и электрическая схемы спектрографа ИСП-30:

5 – ступенчатый ослабитель; 6 – входная щель; 7 – зеркальный объектив;

Осветительная система прибора, состоящая из трех конденсоров с фокусными расстояниями 75, 150 и 275 мм, обеспечивает ахроматическое освещение щели при установке конденсоров и источника света на расстояния, указанные на рис. 14. Источник света проектируется конденсором 2 на диафрагму револьверного типа, укрепленную на оправе конденсора 3. Последний проектирует уменьшенное изображение конденсора 2 на щель спектрографа. Изображение освещенной диафрагмы конденсором проектируется в плоскость объектива камеры и заполняет его. Трехлинзовую систему конденсоров можно заменить одним кварцевым конденсором с фокусным расстоянием 75 мм, который устанавливается на расстоянии 316 мм от щели; источник света помещается на расстоянии 67 мм от конденсора.

При этом изображение электродов получается в плоскости камерного объектива.

Электрическая схема (рис. 14, б) состоит из трех основных частей: электромеханического реле времени обжига, электромеханического реле времени экспозиции и электропривода кассеты.

Работа реле времени основана на равномерности вращения синхронного электродвигателя. Время выдержки задается углом поворота стрелки, связанной с осью электродвигателя, относительно нулевого положения и равно времени, в течение которого стрелка из установленного положения приходит в нулевое.

Питание на схему подается от сети включением тумблера В1 «сеть». Неоновая лампочка Л3 сигнализирует о наличии напряжения сети. После нажатия переключателя П1 в сторону «пуск», реле Р срабатывает и своим контактом блокирует этот переключатель. Другой контакт реле Р включает генератор дуги.

Цепь обмотки реле Р замкнута через один из концевых выключателей КВ1 или КВ2, который стоит в положении, обозначенном на схеме пунктиром. Одновременно напряжение поступает на реле времени обжига РВ1. Электромагнит ЭМО подключает стрелку шкалы обжига к электродвигателю МО и по истечении времени обжига стрелка замыкает контакт КО, который включает реле РО.

Реле РО своими контактами выключает электромагнит ЭМО и стрелка шкалы реле обжига возвращается в исходное положение. Одновременно реле РО подключает электромагнит затвора ЭМЗ и электромагнит ЭМЭ реле экспозиции. Электромагнит ЭМЭ подключает стрелку шкалы реле экспозиции к электромотору МЭ и по истечении времени экспозиции стрелка замыкает контакт КЭ, который включает реле РЭ.

Реле РЭ своими контактами выключает электромагнит ЭМЭ и стрелка шкалы реле экспозиции возвращается в исходное положение. Одновременно реле РЭ разрывает цепь питания электромагнита затвора ЭМЗ и включает двигатель кассеты М. Как только двигатель начнет вращаться, кулачок на валу двигателя нажимает на концевые выключатели КВ1 и КВ2 и разрывает цепь реле Р, что снимает напряжение с реле времени и выключает генератор дуги. Двигатель М вращается до тех пор, пока кулачок на его валу не сойдет с концевых выключателей КВ1 и КВ2.

Кассетная рамка, поднявшись до упора, нажимает на концевой выключатель КВ4 и разрывает цепь питания прибора.

Для возврата рамки в исходное положение (нижнее) необходимо нажать переключатель П2 в положение «вниз». Кассетная рамка опустится и нажмет на концевой выключатель КВ3, после этого переключатель П2 необходимо вернуть в среднее положение.

Переключатель П2 имеет фиксацию только в положении «вниз». Для подъема на один шаг кассетной рамки от руки необходимо кратковременное нажатие переключателя П2 в положение «вверх».

Переключатель П1 имеет фиксацию только в положении «стоп». При нажатии переключателя в это положение прекращается работа реле времени.

Для работы без обжига необходимо стрелку шкалы реле обжига поставить в нулевое положение.

Для открытия затвора без реле обжига и экспозиции служит выключатель В2. При впечатывании в спектрограмму шкалы, концевой выключатель КВ5 включает лампочку подсветки Л1 и сигнальную лампочку Л2. Тумблер В3 служит для установки шага подвижки кассетной рамки в 1 мм и 2 мм.

Спектрографы применяются для решения самых разнообразных аналитических задач. Они могут работать практически с любым источником света при любом методе введения вещества в разряд. Для установки источника света и системы освещения щели спектрограф снабжен рельсом. Электроды укрепляют в специальном штативе типа ШТ-9 или ШТ-10 (рис. 15) или ШТ-23.

Щель спектрографа – одна из ответственных его деталей. Она образована двумя металлическими ножами (рис. 16), которые перемещаются в направляющих. В спектрографе применяют симметричные щели, ширину которых можно регулировать с помощью микрометрического винта с ценой делений 0,001 мм. Перемещение ножей осуществляется за счет пружин, которые предохраняют края ножей от поломки, если микрометрический винт повернуть за нулевое деление. Рекомендуемая величина щели 10…12 мк.

Перед щелью устанавливают д и а ф р а г м у Г а р т м а н а, которая позволяет ограничить величину спектра, а также фотографировать его через разные по высоте участки щели (рис. 17).

Левый фигурный вырез диафрагмы служит для ограничения высоты щели. Его левая часть закрывает щель сверху и снизу, оставляя открытой середину. Положение выреза перед щелью контролируется по верхней шкале. Правая часть выреза закрывает среднюю часть щели, оставляя открытыми верхнюю и нижнюю части. Положение этого выреза контролируют по правой нижней шкале. Отсчеты по обеим шкалам читаются против края корпуса щели. Фигурный вырез позволяет фотографировать в средней части щели исследуемый спектр, а сверху и снизу – спектр сравнения. В средней части диафрагмы расположены два выреза, которые служат для ограничения высоты щели в ее центральной части, когда нужно сфотографировать ряд спектров с высотой щели 1 или 2 мм. Установка производится по двум длинным штрихам, расположенным в левой нижней части диафрагмы.

В правой части диафрагмы расположены ступенчатые вырезы. При работе с ними диафрагму следует повернуть на 180°. Устанавливая ступени перед щелью по шкале, расположенной в нижнем левом краю, можно получать на фотопластинке девять соприкасающихся спектров одинаковой высоты.

Второй, пятый и восьмой спектры фотографируются одновременно.

С т у п е н ч а т ы й о с л а б и т е л ь – это стеклянная или кварцевая пластинка, закрепленная в металлической оправе (рис. 18). На пластинке нанесены тонкие слои распыленной в вакууме платины в виде платиновой черни. Слои наносят ступеньками в виде узких полос, расположенных рядами на расстоянии 0,3 мм друг от друга. Каждый ряд покрыт платиной различной плотности, и, следовательно, они обладают различной пропускаемостью света.

Пропусканием называют отношение интенсивности света, прошедшего через ступеньку, к интенсивности света, падающего на нее. Величину этого отношения выражают в процентах.

Ступенчатый ослабитель применяется в количественном анализе для визуального метода фотометрического интерполирования, для построения характеристической кривой фотографической пластинки и для ослабления почернений аналитических линий, превышающих нормальные почернения на спектрограмме.

В зависимости от назначения ступенчатые ослабители бывают разных типов: 9-ступенчатые, 3ступенчатые и др. Девятиступенчатый ослабитель имеет семь ступеней, напыленных платиной, и две ступеньки без платины – сверху и снизу от напыленных. Трехступенчатый ослабитель имеет два напыленных слоя и один прозрачный. Пропускание ступенек 30, 60 и 100 %. Каждый ослабитель снабжен фирменным номером и аттестатом, в котором приводятся результаты градуировки – величины логарифмов пропускания каждой ступеньки.

Для исследования эмиссионных спектров в видимой области обычно используют спектрограф ИСП-51 со стеклянными призмами.

Его рабочий диапазон 360…1000 нм. Прибор имеет две камеры с фокусным расстоянием 120 и мм. Схема прибора (рис. 19) состоит из входной щели 1, объектива коллиматора 2, диспергирующей системы из трех призм 3, 4, 5, объектива камеры 6 (f = 120 мм) или 8 (f = 270 мм), кассеты 7, призмы сравнения 9.

Для получение большей линейной дисперсии (табл. 2 ) призменная система ИСП-51 может быть снабжена камерой УФ-84 с фокусным расстоянием f = 800 мм и УФ-90 с f = 1300 мм. При установке камеры УФ-89 заменяется также коллиматор спектрографа с f1 = 304 мм на Длина Фокусное расстояние объективов камер f, мм коллиматор УФ-61 с f = 800 мм. Спектрограф ИСП-51 с объективом камеры УФ-90 работает по автоколлимационной схеме. Прибор имеет три кассеты, рассчитанные на пластинки 6,5 9; 9 12; 6,5 18.

Вращением рукоятки осуществляется переход от одной области спектра к другой. Этот переход контролируется по шкале, показывающей число оборотов.

Наиболее распространенными спектрографами с дифракционной решеткой являются спектрографы типа ДФС-8 (рис. 20, 21) и ДФС-13, имеющие практически однотипную оптическую систему.

Они выпускаются либо с дифракционной решеткой, имеющей 600 штр./мм, либо 1200 штр./мм с обратной дисперсией, равной 0,6 и 0,3 нм/мм, соответственно. Спектральная рабочая область этих приборов 1000…200 нм, т.е. она захватывает вся видимую и ультрафиолетовую части спектра.

Переход от одной области спектра к другой осуществляется поворотом решетки с помощью рукоятки. Одновременно вращается барабан со шкалой длин волн. Общая длина спектра первого порядка с решеткой 1200 штр./мм составляет 2,7 м. На фотографической пластинке одновременно можно сфотографировать участок в 54 нм. Он занимает на пластинке 18 см. В приборах с решеткой 600 штр./мм длина спектра в два раза меньше, и на такой же пластинке помещается вдвое больший участок. Прибор рассчитан для работы в первом порядке решетки. Высокая разрешающая способность дифракционных приборов достигается благодаря большому фокусному расстоянию камерного объектива.

М о н о х р о м а т о р ы и п о л и х р о м а т о р ы. Наиболее распространенным прибором этого класса является монохроматор типа УМ-2 (рис. 22), который предназначен для работы в видимой части спектра. В качестве диспергирующей системы применена призма постоянного отклонения. Переход от одной области спектра к другой осуществляют с помощью барабана, вращение которого связано с поворотом призменного столика. По шкале барабана отмечается угол его поворота, проградуированный по известному спектру. Монохроматор обладает небольшой дисперсией, поэтому он может быть использован при изучении только простых эмиссионных и абсорбционных спектров.

В ультрафиолетовой и видимой части спектра используют двойной монохроматор типа ДМР-4.

Конструктивно он представляет собой как бы соединение двух монохроматоров. Это сделано с целью устранения рассеянного света. Он имеет три щели: входную, среднюю и выходную. В связи с большим количеством преломляющих и отражающих поверхностей, пропускание двойного монохроматоров очень невелико, а необходимая точность юстировки выше, чем у простого монохроматора.

Монохроматор позволяет выделить только одну спектральную линию. Поэтому различные элементы приходится анализировать один за другим последовательно, выводя аналитические линии на выходную щель аналогично тому, как выводятся разные аналитические линии в обычном визуальном стилометре.

1 и 8 – защитные стекла; 2 – поворотная призма для одновременного получения Большое распространение получили многощелевые приборы, носящие название полихроматоров или квантометров, например, МФС-4 (рис. 23). Каждая выходная щель этих приборов выведена на определенную спектральную линию, при этом общее число щелей равно 12. Регистрация – фотоэлектрическая. Одновременно регистрируются интенсивности излучения линий нескольких элементов.

На двадцать четыре канала рассчитаны приборы МФС-8 и ДФС-51, выпускаемые ОКБ «Спектр», а многоканальный эмиссионный спектрометр LS-1000 этой же фирмы имеет 48 аналитических каналов.

Регистрирующая часть спектрометров последнего поколения укомплектована решеткой эшелле, заметно повышающей спектральное разрешение (иногда используется Фурье-спектрометр или интерферометр Фабри-Перо), и ПЗС-детектором (линейкой или матрицей), что существенно расширило возможности приборов.

Применение современных ПЗС-детекторов вместо фотоумножителей в приборах для атомноабсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией и широкополосного излучения на основе импульсного разряда в ксеноне автоматически решают проблемы коррекции фона.

Следует заметить, что в настоящее время рынок аналитических приборов имеет универсальные и специализированные приборы, позволяющие решать практически любые задачи спектрального анализа.

3. МЕТОДЫ ВВЕДЕНИЯ ПРОБЫ

В ИСТОЧНИКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

CПЕКТРОВ

М о н о л и т н ы е п р о б ы. Они используются главным образом в анализе металлов и сплавов.

Форма образца, когда нет необходимости в большой точности, не играет никакого значения. Одним электродом служит сам образец, а вторым (противоэлектрод) является электрод либо из спектрального угля, либо из чистого материала, входящего в состав пробы. Например, медь при анализе сплавов на основе меди, железо армко – при анализе сталей и т.д. При контроле металлургических процессов пробу расплавленного металла отливают в кокиль, который затем анализируется. Чувствительность определения примесей в этом случае составляет до 10 %. Следует иметь в виду, что в момент затвердевания наблюдается процесс ликвации – частичное разделение компонентов сплава, что может привести к ошибкам определения.

Ж и д к и е п р о б ы. В пламенной фотометрии наиболее распространен метод введения жидких проб. Они могут представлять собой природные воды с различной степенью минерализации, промышленные и бытовые сточные воды, содержащие различного рода загрязнения, а также специально приготовленные пробы, когда анализируемый объект переводится в состояние раствора. В качестве растворителя используется вода, отдельные кислоты или их смеси, органические соединения. Например, при анализе растений применяется метод «мокрого озоления». Проба обрабатывается кислотамиокислителями (HNO3, H2SO4, HClO4 и др.) или их смесью в различных пропорциях и комбинациях, а затем подвергается анализу. При анализе почв на микроэлементы анализируются так называемые почвенные вытяжки на каждый определенный элемент или группу элементов.

П о р о ш к о о б р а з н ы е п р о б ы. Введение пробы в виде порошков в разряд находит широкое применение в анализе солей, окислов, биологических объектов и т.д. Кроме того, одним из основных преимуществ этого метода является возможность получения достаточно хорошей гомогенности анализируемых проб путем их истирания. Отсюда получение лучшей точности и чувствительности, чем при использовании для анализа монолитных проб. В случае необходимости последние можно перевести в порошкообразное состояние путем их окисления при определенной температуре в токе кислорода.

Имеется большое число методов введения проб в источники света. Рассмотрим некоторые из них.

3.2. ИСПАРЕНИЕ ПРОБЫ ИЗ КРАТЕРА УГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

Пробу в виде порошка помещают в кратер нижнего электрода, форма которого может быть различна (рис. 24 а, б, в). Верхний электрод обычно имеет форму усеченного конуса с площадкой 2 мм. Между электродами зажигается дуговой разряд. Наиболее равномерное испарение пробы происходит из кратера с тонкими стенками (рис. 24, а). Анализ трудно диссоциируемых соединений требует утолщенных стенок, так как необходимо, чтобы эти соединения испарялись одновременно с пробой (рис. 24, б). С целью локализации температуры нагрева электродов используют форму, показанную на рис. 24, в. По мере сгорания электродов их сводят так, чтобы расстояние между ними в процессе анализа сохранялось постоянным. В кратер помещают не более 5 мг порошка. Испаряют либо определенное его количество, либо полностью. В последнем случае улучшается точность анализа.

С целью повышения экспрессности анализа довольно длительная операция взятия навески пробы на аналитических весах и размещение ее в кратере нижнего электрода может быть заменена более быстрым приемом изготовления и загрузки таблеток в электрод с помощью мерника, который состоит из двух частей: матрицы и пуансона. Прием изготовления таблеток состоит в том, что проба плотно набивается в полость матрицы, а затем выдавливается в кратер электрода. Если пуансон снабдить ограничителем, то можно будет в определенных пределах изменять рабочий объем матрицы и, следовательно, размер таблеток. Установлено, что коэффициент вариаций для навески 2 мг не превышает 2…3 %, что практически не влияет на результаты определения элементов в пробе при проведении анализа с использованием внутреннего стандарта.

Введение порошкообразных проб возможно также путем их предварительного брикетирования совместно с металлическим (чаще медным) порошком и добавлением вяжущих веществ. В результате порош- можно использовать в качестве нижнего электрода, закрепляя его в металлическом держателе. Для получения хорошего качества нижних электродов

3.3. ВДУВАНИЕ ПОРОШКООБРАЗНОЙ ПРОБЫ

Дуга 1 образуется между электродами 6 (рис. 25), расположенными горизонтально и помещенными в керамическом цилиндре 7, через который сверху вниз равномерно просасывается воздух. Проба в виде порошка наносится тонким слоем на ленту транспортера 5. Порошок ссыпается и проходит через воронку 3, в нижней части 2 которой образуется высоковольтный искровой разряд, разбивающий комочки слипшихся частиц порошка. Затем порошок в пылевидном состоянии захватывается спускающимся вниз потоком воздуха, проходит между горизонтально расположенными электродами 6, затем поступает в дуговой разряд 1 и испаряется в нем.

3.4. ВВЕДЕНИЕ ПРОБЫ В ВИДЕ РАСТВОРОВ

Благодаря своей однородности, простоты изготовления эталонов и проб к анализу, возможности получения высокой точности, растворы являются наиболее предпочтительной формой для введения анализируемых веществ в плазму разряда. С этой целью часто применяют сосуды, снабженные электродами, которые носят название фульгураторов. Одна из конструкций такого сосуда представлена на рис.

26.

Раствор 2, находящейся в корпусе фульгуратора 1, по угольному стержню 3 поднимается в зону разряда под действием капиллярных сил. Как правило, при использовании фульгураторов применяют искровой разряд.

Рис. 25. Схема вдувания Рис. 26. Фульгуратор порошкообразных проб Рис. 27. Введение растворов методом вращающегося электрода Введение растворов в зону разряда возможно также методом вращающегося электрода (рис. 27).

Анализируемый раствор 5 помещается в ванну 1. Нижний электрод 4 изготовляется из меди или графита в форме диска и вращается со скоростью 10 об/мин. Нижняя часть диска погружена на несколько миллиметров в анализируемый раствор. При вращении диска все новые и новые порции раствора поступают в разряд 3. Непрерывное обновление раствора на поверхности электрода способствует повышению точности и чувствительности анализа. Верхний электрод 2 изготовляется из того же материала, что и нижний. Среди других методов можно отметить возможность введения в аналитический промежуток расплавов. Искра в этом случае зажигается между поверхностью расплава и подставным электродом.

4. ИСТОЧНИКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

СПЕКТРОВ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В НИХ

4.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ИСТОЧНИКОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ

СПЕКТРОВ

Источники возбуждения необходимы для перевода анализируемой пробы вначале в газообразное, а затем в возбужденное состояние. При этом источники возбуждения должны обеспечить получение больших и по возможности постоянных интенсивностей излучения спектральных линий исследуемых элементов. Наибольшее распространение получили следующие источники возбуждения спектров: пламя, дуга постоянного или переменного тока, искра, индуктивно связанная плазма и др.

П л а м я. Использование пламени различного состава в атомной спектроскопии является исторически самым старым способом получения плазмы исследуемого вещества. Однако и в настоящее время он не потерял своего значения. Главным достоинством пламени служит высокая стабильность, позволяющая получить высокую точность измерений – не хуже 3 %.

Если в эмиссионной атомной спектроскопии температуры пламени (табл. 3) не достаточны для возбуждения и исследования большинства элементов, то разработанные в настоящее время атомно-абсорбционные и атомно-флуоресцентные методы позволяют изучать состояния практически всех элементов.

Горючий газ – окислитель На рис. 28 изображена схема установки, которая обычно используется в атомной спектроскопии для получения плазмы смеси газа и окислителя. Камера 2 служит для получения аэрозоля анализируемого раствора. Раствор вводится через капилляр 8 и пневматически распыляется окислителем, который подается через капилляр 1. Избыток раствора выводится из камеры через сток 7. В камере 3 происходит смешивание окислителя и аэрозоля анализируемого раствора с горючим газом, поступающим через капилляр 4. Горелка 5 служит для получения плазмы пламени 6.

Основным недостатком пламенных источников возбуждения спектров, особенно при использовании горючих смесей с высокой скоростью сгорания, является их взрывоопасность.

Д у г а п о с т о я н н о г о т о к а. Электрической дугой называется форма газового разряда, характеризуемая большой плотностью тока и малым падением потенциала вдоль столба разряда. При дуговом разряде постоянного тока, наряду с положительным столбом разряда, который излучает основное количество световой энергии, несколько отличное по спектральному составу, свет испускается также приэлек-тродными областями. Дуга постоянного тока (рис. 29) питается постоянным напряжением 170…250 В и мощностью 2…5 кВт. Зажигание дуги осуществляется соприкосновением электродов r, концы которых при этом разогреваются. При последующем разведении электродов в промежутке между их концами появляются раскаленные ионизируемые газообразные продукты испарения материала электродов, обеспечи-вающие прохождение тока через область дуги. Плотность тока регулируется реостатом и контролируется амперметром.

Устойчивое горение дуги возможно при условии включения последовательно с дугой балластного сопротивления, превышающего сопротивление дуги. Температура дуги зависит от материала электродов. Так, при изготовлении их из угля она составляет 7000 К, введение калия снижает температуру дуги до 4100 К, натрия – 4300 К, кальция – 4800 К, цинка – 6200 К, меди и железа – 5300 К. Дуга постоянного тока нашла широкое применение в основном при анализе руд и минералов. Главное ее преимущество – стабильность горения.

Д у г а п е р е м е н н о г о т о к а. Питание дуги переменного тока, представленной на рис. 30, невозможно, так как за время каждого полупериода электроды успевают остывать, т.е. разряд прекращается. Поэтому советским ученым Н.С. Свентицким была разработана схема, представленная на рис. 31.

Схема содержит вспомогательный высокочастотный контур L, который питается от повышающего трансформатора T. В момент пробоя разрядника Р в катушке индуктивности L возникает импульс и происходит пробой между электродами r. Реостаты R1 и R2 служат для регулировки токов дуги и повышающего трансформатора T соответственно. Конденсатор C1 препятствует прохождению токов высокой частоты в сеть. С момента включения схемы напряжение на электродах начинает расти (промежуток времени а – б, рис. 32).

В момент времени б происходит пробой разрядника. Напряжение на электродах падает от значения U2 до U1. За время б – в дуга горит, как и при питании постоянным током. В момент времени в напряжения сети не хватает для питания дуги и она гаснет, при этом напряжение на электродах несколько повышается и становится равным сетевому. Вновь дуга загорается в момент времени г после ее поджига активизатором (пробой разрядника). Весь процесс повторяется, но катод и анод меняются местами.

Рис. 32. Изменение напряжения на электродах дуги переменного тока И с к р а. Разряд между электродами r при замкнутом промежутке P происходит тогда, когда конденсатор C накапливает достаточный заряд для пробоя промежутка (рис. 33).

Трансформатор T является повышающим. Если при дуговом разряде плотность тока практически не зависит от его мощности, то в искровом разряде диаметр токопроводящего канала не успевает следовать за изменением силы тока, т.е. плотность последнего увеличивается.

Период колебаний определяется выражением где L и C – индуктивность и емкость контура соответственно.

Тогда сила тока в разряде где Q и U – заряд и напряжение на обкладках конденсатора.

При условии, что сечение канала S = const за время разряда, плотность тока будет равна Температура плазмы пропорциональна этой величине. Поэтому в схеме, представленной на рис. 33, индуктивность L и емкость C служат для установки той или иной плотности тока, т.е. той или иной температуры плазмы. При малых индуктивностях средняя температура искры составляет 10 000…12 000 К и в ней возбуждаются преимущественно ионы атомов, а при больших – температура разряда падает и приближается к дуговой 5000…7000 К. Увеличение напряжения на обкладках конденсатора C растет до тех пор, пока не наступит пробой разрядника P, пробойное напряжение которого устанавливается меньше, чем на электродах r. Вся разность потенциалов становится приложенной к последним. Таким образом, разряд между ними благодаря разряднику P будет происходить каждый раз при одном и том же напряжении на электродах r. Rш – сопротивление очень большой величины, шунтирующее электроды.

Искровые источники целесообразно применять для анализов трудновозбудимых элементов, при изучении излучения ионов, когда необходимо исследовать образец на малой его площади, т.е. провести локальный анализ, при изучении состава образцов без их разрушения и т.д.

Получить дуговой разряд или низковольтную искру можно с помощью генератора ДГ-2, внешний вид которого представлен на рис. 34, а электрическая схема – на рис. 35.

Рис. 34. Генератор Рис. 35. Схема генератора ДГ- атомизация пробы, а затем с помощью высоковольтного разряда в полом катоде осуществляется возбуждение ее спектра.

В качестве примера на рис. 36 представлена конструкция газоразрядной трубки с охлаждаемым водой полым катодом.

Одним из видоизменений разряда с охлаждаемым полым катодом является лампа Гримма, в которой дном катода служит анализируемый образец. Такой источник возбуждения спектров серийно выпускается рядом зарубежных фирм, например, Hilger Rank. Выпускаются и промышленные установки (для анализа сталей), состоящие из лампы Гримма, монохроматора и полихроматора с компьютером для обработки данных анализа.

При этом отмечается достаточно высокая во времени стабильность интенсивности спектральных линий.

Новейшей разработкой последнего времени можно назвать прибор GDS-500A фирмы LECO с источником тлеющего разряда и фотодиодной матрицей вместо фотоумножителей в качестве регистрирующего устройства. В спектральном диапазоне от 165 нм до 460 нм одновременно можно регистрировать до 10 000 линий за 10 с.

П л а з м а т р о н ы. Начиная с 1959 г. в практике эмиссионного спектрального анализа находят применение новые источники возбуждения спектра – плазматроны. Их преимущество состоит в том, что они позволяют сконцентрировать энергию в небольшом объеме и получить за этот счет довольно высокую температуру плазмы до 50 000 К и значительно выше.

Плазматрон состоит из камеры, изготовленной из непроводящего материала, дно и крышка которой полые и охлаждаются проточной водой. В верхней крышке крепится шайба-катод из меди, угля или других материалов. Анод монтируется на донной части охлаждаемой шайбе. Конструкция (рис. 37) плазматрона зависит от агрегатного состояния возбуждаемого материала, способа его подачи в разрядное пространство, а также от способа подачи в камеру охлаждаемого газа ного тока в отверстие в катоде и в качестве источника света. Преимуществом плазматронов являются более высокая по срав- нению с дугой чувствительность и стабильность, а по сравнению с пламенной фотометрией – более н а я п л а з м а (ICP) стала ши- дуги постоянного тока;

роко применяться в практике 3 – шайба-катод;

атомной эмиссионной спектро- 4 – водоохлаждаемые скопии (ICP-AES) после ее от- полые камеры; 5 – крытия в 1961 г., первого анали- шайба-анод;

тического применения в 1964 г. 6 – ввод распыляющего и серийного производства ана- (инертного) газа;

литического оборудования в 1974 г. Ее отличительные осоанализируемая пробенности: широкий диапазон виба дов проб, вводимых в плазму горелки, достаточно широкий диапазон концентраций определяемых элементов, линейность градуировочных графиков в этих диапазонах, высокая чувствительность определения, значительное снижение помех при проведении анализа, его экспрессность и др.

Индуктивно связанная плазма (рис. 38) представляет собой объем частично ионизированного аргона, удерживаемый в пределах факела, формируемого устройством, состоящим из трех концентрических трубок из плавленого кварца. Факел находится в индукторе с водяным охлаждением, который преобразует энергию высокой частоты от генератора в плазму. Через эти трубки аргон проходит с различными скоростями, поддерживая стабильную высокую температуру плазмы: охлаждающий аргон подается для удержания плазмы и предотвращения расплавления кварцевой трубки, плазменный аргон – для поддержания плазмы и инжекторный аргон – для обеспечения введения пробы в плазму. В изображенном на рисунке факеле охлаждающий и плазменный аргон являются общими и создают «плазму», в которой за счет энергии высокой частоты происходят ионизация аргона и последующее возбуждение атомов пробы. Характерное излучение последних регистрируется тем или иным спектральным прибором.

3 если наблюдаются, то лишь незначительные матричные эффекты. Кроме того, в плазме наблюдается минимальное самопоглощение, так как плазма оптически типичной горелки 1 – высокочастотный Polyvac E960 может быть запроиндуктор; 2 – зона из- граммирован для одновременнолучения; го определения до 60 элементов.

3 – магнитное поле; Результаты могут быть получены 4 – аргон для охлажде- менее чем через минуту и предния; ставлены через телетайп.

5 – аргон для образова- К приборам последнего пония коления можно отнести прибор плазмы; 6 – аргон для из серии атомно-эмиссионных Этот прибор с высокой степенью точности измеряет одновременно концентрации практически любых элементов по любым спектральным линиям благодаря использованию оптической схемы Эшелле высокого разрешения и уникального матричного полупроводникового детектора CID.

Простота дизайна и отсутствие движущихся частей оптической схемы приводят к ее стабильности, долговечности и надежности. Регистрация фонового сигнала производится одновременно с аналитическим, что значительно повышает точность и производительность анализа.

Фирма SPECTRO выпускает эмиссионные ICP-спектрометры типа SPECTRO CIROS-CCD для спектральной области от 120 нм до 800 нм со скоростью регистрации до 10 000 линий за 10 с.

Развернутая схема ICP-AES представлена на рис. 39. Из него видно, насколько широк диапазон применения ICP-AES как по способам подготовки пробы к анализу, так и по возможностям регистрации и обработке аналитического сигнала.

4.2. ПОНЯТИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Свойства различных состояний атомов описывает квантовая механика, в основу которой положены постулаты, сформулированные одним из ее основоположников, датским физиком Нильсом Бором.

1. Электрон в атоме может находиться только в стационарных состояниях, при которых атом не излучает энергии.

2. Из всех возможных состояний в атоме осуществляются только те, для которых момент колиh чества движения M = mvr = n = nh ; где m, v, r – масса, скорость и радиус орбиты электрона атома;

n = 1, 2, 3,...

3. Излучение или поглощение энергии атомов происходит только при переходе из одного стационарного состояния в другое в виде фотона:

где h – постоянная Планка; Ei и E j – энергия атома в исходном и конечном стационарных состояниях;

– частота излучения при переходе из i-го состояния в j-е состояние.

При этом, если Ei < E j, происходит поглощение атомами энергии, а если Ei > E j – излучение. В последнем случае говорят, что появилась спектральная линия. Поскольку энергетические состояния электронов в атомах являются строго специфичными и определяются их сортом, то эта появляющаяся линия является их строгой характеристикой. Совокупность спектральных линий, определяющих атом данного сорта, называют его спектром.

Количество энергии, которое излучается в единицу времени возбужденными атомами, носит название интенсивности спектральной линии. Она определяется уравнением:

где N i – число атомов в единице объема в i-м состоянии; Aij – вероятность спонтанного перехода атома из j-го возбужденного состояния в i-е с меньшей энергией; k – постоянная Больцмана; T – температура среды.

Поскольку выражение (4.1) включает трудноконтролируемое значение температуры, справедливость его возможна лишь в условиях термодинамического равновесия и малого числа возбужденных атомов и оно не может быть использовано для целей количественных спектральных исследований. В связи с этим Ломакиным и Шайбе была предложена формула где С – концентрация исследуемых атомов; a и b – некоторые постоянные.

Из соотношения неопределенностей Это значит, что длина волны реальной спектральной линии не может быть строго определена, т.е.

она не может быть строго монохроматичной. Ее энергия, как это видно из уравнения (4.2), при учете, что время жизни атома в возбужденном состоянии примерно 10–8 с, распределена в интервале длин волн около 10–2 нм. Эта ширина носит название естественной ширины спектральной линии. Однако, ею для большинства аналитических задач можно пренебречь, поскольку другие виды уширения линий значительно больше: доплеровское – вследствие движения излучающих атомов; штарковское – в результате влияния внешнего электрического поля; зеемановское – из-за влияния внешнего магнитного поля и др.

На практике, говоря о длине волны спектральной линии, предполагают, что она относится к максимуму ее интенсивности.

В обычных источниках, кроме спонтанного излучения, существуют другие процессы, приводящие к распаду возбужденного состояния. В частности, селективное поглощение атомами, находящимися в периферийной части плазмы, излучения возбужденных атомов того же сорта из внутренних ее слоев. Поскольку с увеличением энергии возрастает градиент температур от центральных к внешним зонам плазмы, то аналогично изменяется и соотношение атомов в возбужденном состояниях. Другими словами, усиливается эффект селективного поглощения. Этот факт ведет к вырождению спектральной линии.

Такие линии носят название самообращенных, а явление – реабсорбции.

4.3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ

В ИСТОЧНИКАХ ВОЗБУЖДЕНИЯ СПЕКТРОВ

В первом приближении состояния исследуемой пробы и ее превращения можно показать схемой (рис. 40).

Mмол1 = kMмол0, Возбуждение ионов Возбужденные ионы Nион = Nион g ион е kT, где g и g0 – статистические веса атомов где gион и g0 ион – статисоответственно стические веса ионов в ном состояниях Число исследуемых атомов будет равно:

Обозначив полное число атомов, связанных в молекулы через получим Коэффициенты диссоциации и ионизации соответственно определяются как из соотношений (4.4) – (4.6) получим Отсюда число атомов в основном состоянии от общего числа атомов в исследуемом веществе определяется выражением а ионизированных:

Таким образом, интенсивность излучения изучаемых атомов согласно уравнениям (4.1), (4.7) определяется выражением Советским ученым, физиком С.Л. Мандельштамом впервые было показано, что при возрастании температуры плазмы наблюдается сначала увеличение, а затем снижение интенсивности спектральных линий. Такое поведение последних вытекает из формулы (4.8). С увеличением температуры дуги растет диссоциация молекул, растет число свободных анализируемых атомов, что выражается повышением интенсивности их спектральных линий. Этот рост идет до тех пор, пока молекулы полностью не диссоциируют, т.е. коэффициент диссоциации станет равен единице. Тогда коэффициент из уравнения (4.8) примет вид:

Дальнейшее повышение температуры ведет к увеличению степени ионизации и, следовательно, к уменьшению числа нейтральных атомов, т.е. к уменьшению интенсивности их спектральных линий.

Это значит, что интенсивность спектральных линий, излучаемых нейтральными атомами, с повышением температуры плазмы сначала возрастает, а затем падает.

4.4. ПОСТУПЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЛАЗМУ ИСТОЧНИКА

ВОЗБУЖДЕНИЯ СПЕКТРОВ

Анализируемое вещество, поступая в плазму источника, претерпевает ряд сложных превращений, которые схематически можно представить следующим образом (рис. 41). Однако молекулы различного состава, равно как и атомы различного сорта, поступают в плазму источника неодновременно. В первую очередь поступают легко летучие элементы, обладающие наивысшей упругостью пара. В качестве примера на рис. 42 показано поступление элементов в зону плазмы из исследуемой пробы сложного состава. Видно, что первоначально поступают такие элементы, как цинк, свинец, висмут, а последним – уран.

В 1946 г. установлены основные закономерности испарения элементов и составлены ряды их летучестей. Порядок поступления элементов следующий: Hg, As, Cd, Zn, Te, Sb, Bi, Pb, Ti, Mn, Ag, Cu, Sn, Au, Ju, Fe, Ni, Co, V, Cr, Ti, Pt, … Аналогично ряды летучестей построены для окислов элементов, карбонатов, фосфатов и др. Это явление получило название фракционного поступления элементов (рис. 42). Фракционное состояние элементов вызывает не только непрерывное изменение состава плазмы, но и ее температуры (рис. 43).

Это явление позволяет регулировать температуру изучаемой пробы и скорости поступления тех или иных элементов пробы в зону плазмы, разделять процессы испарения и возбуждения элементов, физическим путем концентрировать необходимые атомы. Последний прием носит название метода фракционной дистилляции.

Он позволяет определять очень малые количества элементов, до 10–7 %. Установка для использования указанного метода представлена на рис. 44. Проба 2 помещается в кратер угольного стержня 6, зажимаемого между электродами 1, которые служат для регулируемого нагрева при помощи электрического тока, проводимого через клеммы 5. Температура нагрева контролируется пирометром 4. Исследуемый элемент в течение конкретного промежутка времени, который устанавливается экспериментально, испаряясь при температуре его летучести из пробы 2, возгоняется на торце охлаждаемого водой угольного стержня 3 и подлежит дальнейшему изучению.

Рис. 42. Фракционное по- Рис. 43. Изменение темпеступление элементов в ратуры дуги (1) и интенплазму сивности линий элементов Знание законов летучести элементов и их соединений делает возможным изменение скорости поступления тех или иных элементов из исследуемой пробы в зону плазмы путем добавления к пробе соединений, которые получили название «носителей». Последние, как правило, существенно увеличивают среднее время пребывания анализируемых атомов в плазме, изменяя упругость паров, составляющих пробу. Так, если она содержит нелетучую окись алюминия, то добавка углерода восстанавливает ее до летучего металла, легко испаряющегося в зону плазмы.

5. КАЧЕСТВЕННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ

АНАЛИЗ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ

СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Задача качественного анализа – определение элементов, входящих в состав проб. В частном случае эта задача сводится к определению одного или нескольких, заранее заданных, элементов. В общем случае – к нахождению всех элементов, содержащихся в анализируемой пробе.

Для идентификации спектральных линий выбираются линии, характерные для данного элемента.

Такими линиями обычно служат так называемые «последние линии». Это самые чувствительные спектральные линии. При уменьшении содержания элемента в пробе они исчезают последними.

Устанавливая принадлежность спектральной линии тому или иному элементу, необходимо учитывать возможность наложения близко расположенных линий различных элементов. Идентификация может считаться надежной только в одном случае, если обнаружены несколько характерных для данного элемента линий, находящихся в разных участках спектра. Вероятность наложения спектральных линий уменьшается с увеличением линейной дисперсии прибора.

Установить принадлежность спектральных линий тому или иному элементу, т.е. их идентификацию, можно при помощи спектропроектора, например ПС-18, представленного на рис. 45 и 46, или двойного спектропроектора ДСП-1 (рис. 47), атласа спектральных линий железа, а также измерительного микроскопа или компаратора.

Рис. 45. Спектропроекспектрограмма; 7 – объектор ПС- 1 – лампа; 2 – конденсоры; 3 – тепловой фильтр; 4 – спектрограмма;

5 – шторка; 6 – объектив; 7 – призма с зеркальными гранями; 8 – экран В первом случае спектр пробы снимается вплотную к спектру железа. Пластинка устанавливается на спектропроектор эмульсией вверх (так же, как на измерительном микроскопе или микрофотометре).

В качестве отправной точки в атласе спектральных линий железа выбирается участок спектра с характерными линиями (например, линия с длиной волны 322,0 нм), который совмещается с соответствующими линиями спектра железа, проецируемого с фотопластинки. Все линии в пробе, совпадающие с линиями железа в атласе, принадлежат железу.

Принадлежность остальных линий устанавливается по совпадению их с линиями других элементов, указанными в атласе над спектром железа. Идентификация спектральных линий с помощью измерительного микроскопа МИР-12 (рис. 48) производится обычно при качественном анализе.

Определение длин волн неизвестных линий производится следующим образом: на предметный столик кладут спектрограмму (фотопластинку) эмульсией кверху так, чтобы увеличение длин волн спектральных линий соответствовало возрастанию числа делений на миллиметровой шкале микроскопа. Затем зеркалом 6 регулируют равномерность освещения соответствующего участка спектрограммы, окуляр 1 – литая станина; 2 – цилиндрические направляющие продольного перемещения столика; 3 – кронштейн; 4 – винт углового поворота столика;

5 – столик для спектрограмм с матовым стеклом 8; 6 – осветительное зеркало;

7 – пружинная рукоятка; 9 – рамка для поперечного перемещения столика;

12 – отсчетный барабан; 13 – оправа глазной линзы; 14 – зажимной хомутик;

15 – цилиндрическая оправа окуляра; 16 – миллиметровая шкала устанавливают на резкость изображения крестообразно расположенных нитей вращением оправы главной линзы и производят фокусировку микроскопа вращением объектива до получения резкого изображения линий. Проверяют параллельность штрихов крестообразно расположенных нитей спектральным линиям (рис. 49, а, б), чтобы одна из выбранных линий спектра железа пришлась на пересечение нитей окуляра (спектры железа и анализируемого вещества должны быть сфотографированы непосредственно встык). При этом штрих окуляра следует подводить всегда с одной стороны спектральной линии. Вращением барабана устанавливают линии между штрихами окуляра и записывают соответствующий отсчет по шкалам. Последовательно измеряют положение всех спектральных линий, вращая барабан только в одну сторону. По миллиметровой шкале, укрепленной на верхней части кронштейна, отсчитывают целые миллиметры, а по барабану – сотые доли миллиметра.

Рис. 49. Установка между окулярными нитями микроскопа узкой (а) и широкой (б) линии и определение длины волны спектральной линии (в) Пусть 1 и 2 – отсчеты по шкале прибора для первой и второй линий (рис. 49, в), выбранных в качестве нормалей и длины волн которых 1 и 2 известны, а x – отсчет для линии с неизвестной длиной волны x, лежащей между линиями 1 и 2. В этом случае длина волны неизвестной линии определяется по формуле Знаки «–» и «+» означают отсутствие или присутствие данного элемента в пробе.

При работе с микроскопом МИР-12 следует соблюдать два важных условия:

1) в качестве нормалей нужно выбирать две линии, расстояние между которыми должно быть возможно меньшим, чтобы дисперсия спектрографа на этом участке спектра оставалась постоянной;

2) измерительный барабан нужно вращать только в одну сторону, не возвращаясь назад, чтобы исключить ошибку мертвого хода (люфта) винта.

С целью получения более высокой точности при измерении расстояний между спектральными линиями пользуются прецезионным прибором – компаратором ИЗА-2 (рис. 50).

В табл. 4 показано, каким образом обычно представляют результаты качественного спектрального анализа.

6. ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННЫЙ

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

6.1. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗЫ

Полуколичественный анализ является промежуточным между качественным и количественным видами анализа и дает возможность приблизительной оценки процентного содержания определяемых элементов в пробе.

Различают два вида полуколичественного анализа: визуальный и фотографический.

В и з у а л ь н ы й спектральный анализ производится либо с помощью стилоскопа, либо с помощью стилометра. Оба эти прибора представляют собой разновидность спектроскопа. Основное их назначение – определение сортов образцов стали и оценка содержания основных компонентов сплавов.

Стилоскопический анализ основан на визуальном сравнении яркости линий анализируемой примеси с линиями основ. Аналитические пары линий выбираются так, чтобы они не слишком сильно различались по цвету и располагались близко друг от друга.

Для оценки содержания различных элементов установлены определенные стилоскопические признаки. В качестве примера в табл. 5 приведены признаки для оценки содержания хрома в легированных сталях. Знаки =, > и < обозначают соотношение яркостей линий хрома и железа.

Содер- Длина волны, Содержа- Длина волны, Стилоскопическим методом можно с достаточной точностью установить равенство интенсивностей или определить, какая из линий ярче.

Стилометрический анализ позволяет измерить относительные интенсивности сравниваемых линий.

Это достигается ослаблением более интенсивной линии до тех пор, пока интенсивности аналитической пары линий не станут равны. Ослабление интенсивности производится с помощью фотометрического клина. Зная, во сколько раз пришлось ослабить одну из линий, можно определить их относительную интенсивность.

Визуальный спектральный анализ обладает достаточной точностью при большой надежности и простоте. Недостатком является возможность вести анализ лишь в области 400…700 нм, т.е. в пределах чувствительности нашего глаза. Кроме того, спектральная чувствительность глаза не одинакова (рис.

51).

Наибольшая чувствительность приходится на желто-зеленую область света с длиной волны около 550 нм. Для длин волн больше и меньше 550 нм чувствительность быстро падает. Отсюда следует, что при визуальном наблюдении двух спектральных линий с разной длиной волны и одинаковой интенсивностью их яркости могут казаться различными. Это может отрицательно влиять на точность анализа.

Ф о т о г р а ф и ч е с к и й метод полуколичественного анализа имеет несколько вариантов.

1. Метод исчезновения линий заключается в использовании последних линий элементов. С помощью эталонных образцов устанавливают, при какой концентрации элемента появляется определенная чувствительная линия в его спектре, и составляют таблицу (табл. 6). Затем в таких же условиях фотографируют спектры проб и просматривают в лупу или спектропроектор.

При визуальном просмотре устанавливают, какие именно линии примеси появились в спектре. Сопоставляя с появлением этих же линий в эталонах, определяется приближенное значение содержания примесей.

Рис. 51. Средняя спектральная чувствительность глаза оло- 2839, 3034, 3262, 2429, 2421, 2546, 2571, 3141, 0,00 сл.

сл. (слабо) – линия видна, но почернение мало; + (плюс) – линия отчетливо видна и почернение мало.

2. Метод сравнений. Спектры эталонов и спектры проб фотографируются при одних и тех же условиях. Пределы содержания определяемого элемента устанавливают визуально, путем сравнения почернений линий определяемого элемента в пробе и в эталонах. Для большей достоверности результатов сравнение проводят по двум-трем аналитическим линиям. Для сравнения спектров применяют лупу, спектропроектор или столик для рассматривания спектрограмм.

3. Метод однородных дублетов. Подбирают систему пар линий, интенсивности которых при известной концентрации равны (табл. 7).

Затем просматривают спектрограмму и на глаз определяют равенство почернений линий. По таблице устанавливают процентное содержание определяемого элемента. При промежуточном содержании оценки делаются с большой ошибкой.

7. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

7.1. ЗАДАЧИ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

Задача количественного спектрального анализа – определение количественного содержания исследуемых элементов в пробе по относительной интенсивности аналитической пары линий.

Количественный спектральный анализ основан на том, что интенсивность спектральных линий I определяемого элемента связана с его концентрацией соотношением (4.2), логарифмируя которое получим Как видно из формулы, интенсивность спектральных линий зависит не только от концентрации анализируемого элемента, но и от ряда других факторов, определяемых постоянными a и b, учесть которые практически не представляется возможным.

В связи с этим, изменение абсолютных интенсивностей спектральных линий является трудновыполнимой задачей, а результаты количественных определений, основанные на измерении абсолютных интенсивностей спектральных линий, не могут считаться достаточно надежными.

Как указывалось выше, на практике количественный спектральный анализ проводится по измерению относительной интенсивности двух линий: аналитической и линии сравнения.

В качестве линий сравнения выбираются линии такого элемента, содержание которого в пробе постоянно. Такая пара линий должна отвечать условию гомологичности, т.е. их относительная интенсивность должна мало зависеть от условий возбуждения. Это возможно в случае, если:

1) обе линии имеют одинаковые или близкие потенциалы возбуждения;

2) потенциалы ионизации атомов элементов, дающих аналити-ческую пару линий, также очень близки (см. табл. 7).

При этом интенсивности обеих линий не должны резко отличаться друг от друга.

Из всех возможных методов количественного спектрального анализа здесь будут рассмотрены метод фотографического фотометрирования и метод с регистрацией сигнала по принципу его интегрирования.

7.2. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ И СПОСОБЫ ЕЕ

ПОСТРОЕНИЯ. СВОЙСТВА ФОТОГРАФИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

При фотографическом методе спектрального анализа в качестве приемника излучения используют фотографическую пластинку. Фотометрирование спектра, полученного на пластинке, позволяет произвести количественное определение концентрации пробы. Фотометрирование должно производиться с учетом фотографических свойств пластинки, поэтому необходимо знать основные свойства и характеристики фотоматериалов.

Пусть на фотопластинку за время t падает световой поток, создающий освещенность Е. Тогда экспозиция (количество освещения) где E – освещенность фотослоя; t – время экспонирования.

Под действием света и последующего проявления галоидное серебро в светочувствительном слое восстанавливается до металла. Количество восстановленного серебра может служить мерой световой энергии, воздействовавшей на фотослой. Практически же удобнее измерять не количество восстановленного серебра, а связанную с ним оптическую плотность почернения S, которая определяется по формуле где I0 – интенсивность света, прошедшего при фотометрировании проявленной пластинки через непочерненное место; I – интенсивность света, прошедшего через почерненное место.

Зависимость плотности почернения от освещенности фотослоя называется характеристической кривой фотопластинки (рис. 52).

На характеристической кривой фотопластинки можно выделить четыре участка: АВ – область недодержек, ВС – область нормальных почернений, CD – область передержек и DЕ – область соляризации.

Для спектрального анализа обычно используется прямолинейный участок – область нормальных почернений. При необходимости возможно использование областей недодержек и передержек, однако, в этом случае увеличивается ошибка определения. Область соляризации обычно не используется, так как на этом участке в центре интенсивных линий почернение уменьшается и они выглядят как ложные дублеты.

Область нормальных почернений может быть выражена уравнением где = tg – контрастность фотопластинки; Hi – инерция фотопластинки.

Рис. 52. Характеристическая кривая эмульсии фотопластинки В законе количества освещения H = Et величины Е и t являются равнозначными и поэтому должны подчиняться закону взаимозаменяемости. Но так как помимо непосредственного взаимодействия света и галоидного серебра происходит ряд вторичных процессов, в частности, во время проявления и фиксирования фотоматериалов, то наблюдается отклонение от закона взаимозаменяемости. Это отклонение учитывается уравнением Шварцшильда где p – постоянная Шварцшильда, характеризующая отклонение от закона взаимозаменяемости и зависящая от величины и характера освещения. Для разных фотоэмульсий величина p лежит в пределах 0,7…0,9.

Если при построении характеристической кривой время экспозиции t оставлять постоянным, а менять интенсивность света I, то по оси абсцисс будет откладываться lg I. При этом происходит смещение характеристической кривой вдоль оси абсцисс, форма же ее не меняется, а область нормальных почернений будет выражена формулой где i – инерция фотопластинки.

По физическому смыслу это та минимальная величина световой энергии, которая может вызвать почернение фотоэмульсии, заметное относительно фона. Как видно из рис. 52 даже при отсутствии освещенности на фотопластинке отмечается небольшое почернение S. Это вуаль, появление которой вызывается причинами, не связанными с действием света. При длительном хранении фотоматериалов вуаль увеличивается, создавая мешающий фон.

При изучении линейчатых спектров основным способом построения характеристической кривой является применение ступенчатого ослабителя. Ступенчатый ослабитель представляет собой кварцевую или стеклянную пластинку с нанесенными на ней тонкими слоями платины различной пропускной способности, разделенными непрозрачными участками. Пропускание света прозрачными (ненапыленными) ступеньками (1-я и 9-я девятиступенчатого ослабителя) принимается за 100 %.

Линейчатый спектр, снятый через ослабитель, разбит горизонтальными линиями на девять ступенек ослабления. Характеристическую кривую можно построить, откладывая по оси абсцисс логарифмы пропускаемости (по данным из паспорта ослабителя), а по оси ординат – измеренные почернения каждой ступеньки спектра.

Характеристическую кривую можно построить и не прибегая к ступенчатому ослабителю, используя в качестве марок почернения спектральные линии железа, относительные интенсивности которых хорошо изучены (табл. 8).

Для этого на спектропроекторе, пользуясь атласом железа, нужно отождествить линии железа, указанные в таблице. Затем измерить на микрофотометре плотности почернения этих линий и, пользуясь значениями интенсивностей приведенными в табл. 8, построить характеристическую кривую.

Контрастность фотоматериалов – это величина, зависящая от свойства эмульсии, длины волны излучения, состава и температуры проявителя и времени проявления.

Как следует из уравнения (7.2), контрастность фотоматериалов определяется тангенсом угла наклона прямолинейного участка характеристической кривой к оси абсцисс.

Для спектрального анализа используются фотоматериалы с возможно большей контрастностью, так как в этом случае линии спектра имеют четко очерченные границы.

Если взять две линии в одном спектре, почернения которых лежат в области нормальных почернений, то для каждой из них соответственно можно записать:

Переходя от количества освещения к интенсивности, получим:

Отсюда можно получить формулу для определения контрастности:

Для разных длин волн контрастность различна. Чтобы построить график зависимости = f (), нужно снять спектр железа через девятиступенчатый ослабитель, по всей длине спектра выделить ряд линий небольшой плотности на расстоянии приблизительно 10 нм друг от друга и измерить почернения этих линий для всех ступенек ослабления. Затем, взяв одинаковый масштаб lg I по ос абсцисс и S по оси ординат, следует построить характеристические кривые. На каждой кривой нужно выделить прямолинейный участок и определить для каждого из них контрастность. По найденным значениям строится график зависимости от длины.

Широта эмульсии. Если количество освещения H1 соответствует началу, а H2 – концу области норH мальных почернений (рис. 52), то величина отношения, или в логарифмических координатах lg H2 – lg H1, называется широтой фотографической эмульсии.

Широта эмульсии связана с контрастностью. Чем контрастнее фотоматериалы, тем меньше широта их эмульсии и тем труднее найти такую экспозицию, при которой как слабые, так и сильные линии попадали бы в область нормальных почернений. Если одна из линий не попадает в область нормальных почернений, можно попытаться подобрать такую экспозицию, при которой обе линии окажутся в области нормальных почернений. Если же широты эмульсии не хватает для регистрации спектральных линий с резко отличающимися интенсивностями, пользуются трехступенчатым или девятиступенчатым ослабителем.

В этом случае экспозицию выбирают так, чтобы более слабая линия попадала без ослабления в область нормальных почернений. Тогда сильная линия будет приходиться на область передержек, но с помощью ослабителя и эта линия вводится в область нормальных почернений.

При вычислении относительной интенсивности линий необходимо учесть пропускание ступенек.

Пусть, например, почернение аналитической линии измерено для первой ступеньки, пропускание которой 100 %, а почернение линии сравнения измерено для второй ступеньки, пропускание которой 50 %. ТоS Чувствительность фотографических материалов. Различают два вида чувствительности: интегральную и дифференциальную. Общая (интегральная) чувствительность Sинт определяется для белого света. За меру чувствительности принимается величина, обратная экспозиции, вызвавшая плотность почернения 0,2 над вуалью:

где S0 – плотность вуали.

Спектральная (дифференциальная) чувствительность S определяется для монохроматического излучения и представляет собой величину, обратную экспозиции, вызвавшей плотность почернения S = 1,0 над фотографической вуалью S0: S =.

Спектральная чувствительность показывает, как изменяется чувствительность фотографических материалов в зависимости от длины волны излучения. На рис. 53 приведены примеры спектральной чувствительности различных типов фотопластинок. Из рисунка видно, что, Рис. 53. Кривые спектральной чувствительности фотопластинок:

например, для пластинок «спектральный тип II» чувствительность максимальна в фиолетовой области спектра и резко падает в голубой и зеленой областях. В связи с этим, для работы в тех областях спектра, где обычная эмульсия нечувствительна, применяются специальные сенсибилизированные (очувствленные) эмульсии. Так, например, для работы в ультрафиолетовой области применяются специальные пластинки типа УФШ.

7.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОЧЕРНЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Плотность почернения спектральной линии связана с интенсивностью излучения зависимостью (7.1). Она может быть измерена с помощью прибора, который носит название микрофотометра. Принципиальная схема этого прибора представлена на рис. 54. Фотографическая пластинка 4 помещается на горизонтальный столик, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Участок спектра, проходящий через оптическую ось прибора, освещается лампой 1 осветительной системы, состоящей из конденсора 2 и микрообъектива 3. Конденсор проецирует изображение нити лампочки на микрообъектив, а микрообъектив строит уменьшенное изображение конденсора на фотопластинке 4. Объектив 5 собирает свет, прошедший через фотопластинку, и строит увеличенное изображение освещенного участка спектра на экране 6.

Измерительная щель 7 выделяет из проектируемого участка часть измеряемой площади, и выделенный измерительной щелью поток проектируется на фотоэлемент 8. Величина потока, пропорциональная количеству света, падающего на фотоэлемент, измеряется гальванометром 9.

Рис. 54. Принципиальная схема микрофотометра Из отечественных микрофотометров наибольшее распространение получил микрофотометр МФ- (рис. 55, 56). Оптическая система его тождественна схеме регистрирующего микрофотометра МФ- (рис. 57, 58).

Он представляет собой однолучевой прибор, предназначенный для измерения почернения спектральных линий и сплошного фона. МФ-4 имеет более сложную конструкцию и позволяет получить регистрограмму спектра на фотографической пластинке или фотобумаге. Оптическая схема приборов изображена на рис. 56.

Пучок света от лампы 1 направляется с помощью конденсора на щель 3, образуемую двумя зелеными перемещающимися пластинками. Пройдя через щель, пучок света падает на призму полного внутреннего отражения 4, которая поворачивает световой пучок вверх и направляет его на микрообъектив и на эмульсионный слой фотопластинки 6, расположенной на горизонтальном столике. Часть спектрограммы и полученное на ней изображение осветительной щели с помощью микрообъектива 7 и призмы полного внутреннего отражения 8 проектируются на экран 11. 9 и 10 – линзы, увеличивающие изображения спектральных линий. В центре экрана 11 имеется прямоугольный вырез; свет, пройдя через этот вырез-линзу 12, круговой нейтральный светофильтр 13 и серый клин 14, падает на фотоэлемент 15.

Фототок, возникающий при освещении пучком света селенового фотоэлемента, измеряется при помощи зеркального гальванометра и отсчетного устройства следующим образом: свет от лампы 1 проходит конденсор 16, освещает микрошкалу 17, установленную в фокусе объектива 18, и, отразившись от зеркала гальванометра 19, вторично проходит объектив и призму 20. Далее изображение микрошкалы при помощи линз 21, 22 и зеркала 23 проектируется на матовый экран 24, где и производятся отсчеты.

Микрофотометр МФ-2 имеет три шкалы. Линейная шкала с делениями от 0 до 1000 дает отсчет прозрачности изображения. Шкала почернения с делениями от 0 до дает отсчет оптической плотности, или, согласно (7.1), значения почернения. Третья шкала дает значения преобразованных почернеI0 ний: P = lg 1. Наибольший отброс по 4 – экран с измерительной щелью; 5 – рычаг для установки отсчетной шкалы 7 и 18 – винты для установки изображения на экране по горизонтали и 9 – микрометрический винт для вывода спектральных линий на щель;

11 – винт для грубого перемещения от руки столика со спектрограммой;

12 – кнопка для введения оптического клина перед фотоэлементом;

13 – ножка с амортизатором; 14 – маховичок для фокусировки изображения щели на эмульсионном слое спектрограммы;

16 – винт для поперечного перемещения столика; 17 – осветитель;

20 – шкала установки оптического клина перед фотоэлементом;

22 – рычаг для измерения по вертикали наклона щели с экраном;

23 – барабан для регулировки ширины щели с ценой деления 0,01 мм 1 – мотор; 2 – редуктор; 3 – рукоятка рычага перемены масштаба записи;

4 – выключатель мотора; 5 – верхняя каретка; 6 – линейка механизма масштаба внизу – исходная спектрограмма; вверху – микрофотограмма спектра линейной шкале – 1000 (прозрачное место пластинки). На шкале почернений такому отбросу соответствует значение S = 0. Пользоваться шкалой почернений можно только в том случае, если прозрачному месту пластинки соответствует показание, равное «нулю». Установка шкалы на «нуль» осуществляется с помощью специального устройства – серого клина.

Истинное значение плотности равно разности почернений прозрачного места пластинки S0 и почернений фотометрируемой линии Si : S = Si – S0.

Микрофотометр МФ-4 отличается от МФ-2 только наличием специального устройства для непрерывной фотографической регистрации пропускания фотоэмульсии.

МФ-4 применяют главным образом с атомными спектрами, когда нужно измерять интенсивности большого числа спектральных линий в каждом спектре (рис. 58).

В настоящее время выпускается двухлучевой микрофотометр ИФО-451, обеспечивающий автоматическую запись фотометрирования спектрограммы.

7.4. ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

М е т о д т р е х э т а л о н о в. Для проведения количественного анализа методом трех эталонов необходимо построить аналитическую кривую зависимости логарифма относительной интенсивности от концентрации:

Для двух близких спектральных линий связь между разностью почернений этих линий S и их относительной интенсивностью R выражается зависимостью (7.3).

С другой стороны, последнее определяется выражением прологарифмировав которое поI лучим:

Таким образом, согласно (7.3), получим, что Угол наклона полученной прямой определяется выражением:

и зависит от коэффициента контрастности, т.е. от свойств фотографической пластинки. Следовательно, для каждой пластинки нужно вновь фотографировать спектр эталонов и строить градуировочные графики.

Аналитические кривые строятся в координатах S и lg C. В области нормальных почернений аналитическая кривая должна иметь прямолинейный участок, а в области недодержек – изгиб, как у характеристической кривой.

Для построения градуировочного графика обычно снимают по 3 – 5 параллелей для каждого эталона. График строится по средним значениям.

Метод трех эталонов при определенных условиях превращается в м е т о д о д н о г о э т а л о н а.

Если интенсивности спектральных линий аналитической пары одинаковы, то почернение S = 0.

Значение концентрации, при которой наблюдается это равенство интенсивностей, получается из равенства (7.5) при S = 0 :

Это значение концентрации С0 не зависит от, т.е. от свойств фотопластинки, и, следовательно, точка с координатами S = 0 и lg C0 является постоянной («нулевая точка»). С изменением величины для разных пластинок в соответствии с уравнением (7.6) меняется угловой коэффициент, и прямая будет вращаться вокруг точки C0.

Используя метод одного эталона, нужно предварительно определить с возможно большей точностью значение C0, а затем снять спектр эталона с концентрацией значительно отличающейся от концентрации C0. Для этого эталона определяется величина S и через точку с координатами (S, lg С) для этого эталона и «нулевую точку» проводится градуировочная прямая.

Этот метод значительно сокращает затраты времени по сравнению с обычным методом трех эталонов.

М е т о д п о с т о я н н о г о г р а ф и к а. Аналитическая кривая, не зависящая от свойств фотографической пластинки, называется постоянным графиком. Постоянный график можно построить, исходя из выражения (7.5). Аналитическая прямая, построенная в координатах lg R и lg С, в области нормальных почернений не зависит от коэффициента контрастности пластинки.

Чтобы определить величину для пластинок, на которых сняты спектры эталонов, и пластинок со спектрами проб, необходимо хотя бы один из спектров на каждой пластинке сфотографировать через трехступенчатый ослабитель. Нормальные почернения двух ступенек одной и той же аналитической линии соответственно запишутся:

где 1 и 2 – пропускаемость двух ступенек ослабителя.

Разность почернений в этом случае будет равна:

Пропускаемость ступенек 1 и 2 берется из паспорта ослабителя. Почернения S1 и S2 определяются при помощи микрофотометра.

М е т о д п е р е в о д н о г о м н о ж и т е л я. Пусть аналитические прямые спектров эталонов, снятых на одной пластинке и спектров проб, снятых на другой пластинке, выражено согласно (7.5) формулами:

Величины S и S для той и другой пластинки измерены.

Чтобы воспользоваться для проведения анализа прямой, построенной для первой пластинки, нужно величину S умножить на некоторый коэффициент k: