Bob. Spektr analizlarining ilm va texnikadagi o’rni… 1 Spektroskopiya asoslari

1.2 Borning atom nazariyasi. Kvantlanish g’oyasi.
N.Bor (1885-1962) tajribada kuzatilgan vodorod atomi spektri va nurlanish kvanti tushunchalarini mohirlik bilan umumlashtirib, 1913 yilda atomning yangi tuzilish nazariyasini yaratdi. Bor nazariyasining asosini quyidagi ikkita postulat tashkil qiladi:
1. Statsionar holalar haqidagi postulat: atomda statsionar holatlar mavjud bo‘lib, bu holatlarga elektronlarning statsionar orbitalari mos keladi. Elektronlar faqat shu statsionar orbitalarda bo‘lib, hatto tezlanish bilan harakatlanganlarida ham nurlanish chiqarmaydilar. Chatotalar haqidagi postulat: elektron bir statsionar orbitadan ikkinchisiga o‘tgandagina, energiyasi shu statsionar holatlardagi energiyalarning farqiga teng bo‘lgan foton chiqaradi(yoki yutadi): hν = En – Em bu yerda En va Em – mos ravishda elektronning n- va m-statsionar orbitalardagi energiyalari. Agar En > Em bo‘lsa, foton chiqariladi. Boshqacha aytganda, elektron katta energiyali holatdan kichik energiyali holatga o‘tadi. Agar En < Em bo‘lsa, foton yutiladi . Vodorod atomining nurlanish spektri. Bor atom nazariyasi vodorod va vodorodga o`xshagan atomlar uchun mos keladi. Vodorodga o`xshash atomlar deganda bitta elektronini yo`qotgan geliy, ikkita elektronini yo`qotgan litiy tushuniladi. Chunki, bu atomlar yadrosi atrofida vodorodga o`xshab bittadan elektron aylanadi. Bor nazariyasi bunday atomlarning nurlanish spektrlarini, elektronlarning orbita radiuslarini va energiyalarini aniqlash imkonini beradi. Vodorod atomidagi elektronning bu hisoblab topilgan orbita radiusi birinchi Bor radiusi deb ham ataladi. Vodorod atomidagi elektron r1 = 0,528 dan kichik bo`lgan orbitada hech qachon aylanmaydi. Orbita radiusi formulasidan ko`rinib turibdiki, n ortgan sari orbita radiusi ham n ning kvadratiga mos ravishda ortib boradi. Elektron faqat orbita radiusi formulasi bilan aniqlanuvchi orbitalar bo`ylab aylana oladi. Vodorod atomidagi elektronning birinchi, ikkinchi va uchinchi Bor orbitalaridagi to`liq energiyasi E ni hisoblaylik. Energiyaning Joul birligini elektron -Volt (eV) birlikka o`tkazamiz.
Atom spektrlari – erkin yoki kuchsiz bogʻlangan atomlarning (bir atom-li gazlar yoki bugʻlar) toʻlqin chiqarganda (nurlanish Atom spektrlari) yoki yutganda (yutilish Atom spektrlari) paydo boʻladigan optik spektrlari. Atom spektrlari chiziqchiziq, ya’ni alohida-alohida joylashgan spek-tralchiziqlardan tashkil topgan. Atom spektrlari nurlanishning koʻrinuvchi, ultrabinaf-sha va infraqizil sohalarida kuzatiladi. Nurlanish Atom spektrlari atomni turli yoʻllar bilan uygʻotilganda (yorugʻlik, elektronlarning urilish va hokazo) hosil boʻladi. Yutilish Atom spektrlari uzluksiz spektrli yorugʻlikatomar gazlar yoki bugʻlardanoʻtganda pay-do boʻladi. Atom spektrlari spektral asboblar yorda-mida kuzatiladi. Ionlarning Atom spektrlari katta chastotalar tomoniga surilgan boʻlishi bilan neytral atomlarning A. sdan farq qiladi.Atom spektrlaridagi spektralchiziqlar ma’lum qonuniyatlarga boʻysunadi va sodda hollarda spektral seriyalar hosil qiladi. Har bir spektral seriya yuqori energetik sathlardan pastdagi yagona energetik sathga mumkin boʻlgan kvant oʻtishlari natijasida yuzaga keladi. Vodorod atomidagi spektral seriyalar ayniqsa ajralib turadi. Vodorod ato-mida Layman, Balmer, Pashen, Breket, Pfund va Hamfri seriyalari aniqlangan⁴. Bu seriyalardagi toʻlqin sonlarini quyidagi formula yordamida topish mum-kin: bunda R = 109677,58 sm"1 –Ridbergdoimiysi, pk va p– kvant oʻtishlariboʻlayotgan energetik sathlarining bosh kvant sonlari. Layman, Balmer, Pa-shen, Breket, Pfund va Hamfri seriyalari uchun pk mos ravishda 1, 2, 3, 4, 5, 6 ga teng. Bunday seriyalar boshqa elementlar atomlari uchun ham kuzatiladi. Elementning atom soni oshib borishi bilan seri-yalardagispektralchiziqlar soni ham oshib boradi va murakkab koʻrinishga ega boʻladi. Elementlar Atom spektrlarining uziga xosligi modda tarkibini aniqlashda, ulardagi spektralchiziqlar ravshanligining 765atomlar konsentratsiyasiga bogʻliqligi – element miqdorini aniqlashda qoʻllaniladi. Moddalar tuzilishi haqidagi ma'lumotlarning aksariyati tajribalar asosida olinadi, ular davomida yorug'lik yoki, odatda, ular aytganidek, radiatsiya - va materiya ma'lum bir ta'sir o'tkazadi. Bunsen va Kirchhoff tomonidan amalga oshirilgan birinchi amaliy spektral tahlildan beri, nurlanish va onaning o'zaro ta'siriga asoslangan spektroskopiya juda xilma-xil usullari bilan zamonaviy analitikaning muhim yordamchi vositasiga aylandi. Buni uskunalarni takomillashtirishdagi yutuqlar bilan ham, kvant mexanikasi sohasidagi bilimlarning yangi usullarini kashf qilmasdan muvaffaqiyatga erishish imkonsiz bo'lgan fundamental nazariy ishlar bilan ham izohlash mumkin. Klassik spektroskopiyaning rivojlanishi va mutlaqo noxprintsiplarinispektralanalitikada qo'llash bizning davrimizda spektroskopiyaning asosiy tamoyillariga aylandi. U kuchli ma'lumot qobiliyatiga ega, ular bemalol aytish mumkin: zamonaviy atom va molekulyarspektrometriya tahlil sohasida deyarli har qanday mazmunli savolga javob berishga qodir. Spektroskopik tadqiqot usullari kimyo, biologiya, farmatsevtika va boshqa sohalarda etakchi o'rinlarni egallaydi. Ular murakkab kompozitsiyalar tarkibini, tirik organizmlarning holatini aniqlash, mahsulot sifatini nazorat qilish, moddalar tuzilishini o'rganish va h.k. Spektroskopik usullardan foydalanish moddaning molekulalarining elektromagnit nurlanish bilan o'zaro ta'siriga asoslangan bo'lib, natijada energiyaning bir qismi so'riladi, chiqadi yoki tarqaladi, bu esa tegishli spektr shaklida qayd etiladi.
1.Spektroskopiya turlari
Hatto 30 yil oldin ham ultrabinafsha nurlanish spektrlari va nurlarning Ramanning tarqalishi fotografik plitalar yordamida qayd qilingan va IQ nurlanish spektrlari galvanometr bilan nuqta-nuqta qayd etilgan va naychalar bilan jihozlangan analog-hisoblash kuchaytirgichlari dizayn cho'qqisi hisoblangan deb o'yladi va spektrogrammalar musht kartalarni mexanik saralash orqali tuzildi. Har qanday sifat nazorati mohiyati shaxsiyat masalasidir.Nazorat laboratoriyasining amaliy ishi uchun miqdoriy va takrorlanadigan parametrlarni ta'minlaydigan o'lchov va texnik usullar talab qilinadi. Ma'lum bir o'lchash texnikasi har doim mahsulotning barcha xususiyatlarining faqat bir qismini aks ettirishi mumkin va ideal holda ma'lum bir sifatni ko'rsatuvchi belgilarni ro'yxatdan o'tkazishi kerak. Oddiy o'lchov eritish va qaynash nuqtalarini, sinish ko'rsatkichini yoki yopishqoqligini aniqlashni o'z ichiga oladi.
Kimyoviy farqlar haqida gap ketganda, bunday usullarning selektivligi aniq etarli emas. Boshqa tomondan, ma'lum bo'lgan "nam usul" bilan olib boriladigan kimyoviy tahlillar ko'pincha juda ko'p vaqt talab etadi, ayniqsa, miqdoriy ko'rsatkichlar zarur bo'lsa. Spektroskopiyani analitika sohasiga kiritish uning rivojlanishi va takomillashishi uchun kuchli turtki bo'lib xizmat qildi. Bir o'lchovli tahlil usullari har bir modda uchun faqat bitta o'lchov qiymatini beradi (erish nuqtasi, kechikish vaqti va boshqalar). Spektroskopik usullar - bu spektrning har bir aniqlanadigan to'lqin uzunligi (yoki massasi) oralig'ida modda uchun kamida bitta intensivlik qiymatini beradigan kamida ikki o'lchovli tahlil usullari. Shuning uchun spektroskopiyaning axborot tarkibi analitika sohasidagi deyarli har qanday savolga javob beradigan darajada katta. Bu, aslida, spektroskopik tahlil usullarining muvaffaqiyatli rivojlanishining sabablaridan biridir. Spektroskopiya, ta'rifi bo'yicha, turli xil o'lchash moslamalari yordamida olingan spektrlarni ro'yxatga olish va izohlash asosida atomlarni, ionlarni, radikallarni va molekulalarni tavsiflash bilan shug'ullanadi, ular orasida: atom yutish spektrometri, atom emissiya spektrometri yoki spektrofotometr. Spektroskopik asboblar odatda uchta asosiy komponentdan iborat: nurlanish manbai, spektral parchalanish moslamasi va nurlanishni o'lchash uchun detektor.Amaliy spektroskopiya tez orada ikki yo'nalishda rivojlanib, atomik va molekulyar bo'linadi. Shu maqsadda analitik metodlar rentgen nurlanishidan ultra qisqa to'lqinlarga spektral hududlardan nurlanish kvantlari (fotonlar) bo'lgan molekulalar va atomlarning energiya sathlari sxemalarida o'tishdan foydalanilgan. Atom spektroskopiyasida biz turli xil moddalar va kontsentratsiya diapazonidagi elementlarning sifat va miqdoriy aniqlanishi haqida gapiramiz. Bunga, masalan, atom yutilish, atom emissiyasi va rentgen lyuminestsentsiya usullari kiradi. UV / ko'rinadigan, IQ spektral mintaqalari, Ramanning tarqalishi va NMR (yadro magnit-rezonansi) asosida molekulyar spektroskopiya usullari molekulalarning bog'lanishlari va tuzilishi to'g'risida xulosa chiqarishga imkon beradi. Xarakterli diapazonlar yoki spektral tasmalar kombinatsiyasi ma'lum bir sifatni tasdiqlovchi dalillar, shuningdek alohida komponentlarni aniqlash uchun asos bo'lishi mumkin. "Spektroskopiya" ning umumiy tushunchasigamass-spektrometriya va elektron spektrometriya usullari ham kiradi. Garchi, aniq aytganda, mass-spektrometriya bu elektromagnit nurlanish va materiyaning o'zaro ta'siriga asoslangan usul emas, balki ajratish usuli hisoblanadi. Tavsiya etilgan usullarning xilma-xilligi juda aniq savollarga javob olishga imkon beradi, ular uchun siz foydalanishingiz mumkin: mikro va iz tahlillari, sirt tahlili, murakkab tizimlarning nozik tuzilishini o'rganish va reaktiv tizimlarning analitikasi. Ko'pgina spektroskopik usullar buzilmasdan, ya'ni namunani yo'q qilmasdan ishlaydi, bu bir xil namunani qayta-qayta va turli xil usullar bilan tekshirishga imkon beradi, bu hatto undan keyin ham keyingi o'rganish uchun mos bo'lishi mumkin. Bu, ayniqsa, badiiy asarlarni tahlil qilish yoki tayyor mahsulotlar sifatini yakuniy nazorat qilishda juda qulaydir. Ammo ko'plab spektroskopik usullarni to'g'ridan-to'g'ri tekshiriladigan namuna joylashgan joyda amalga oshirish mumkinligi va tahlil natijasi real vaqt rejimida chiqarilishi, bu jarayonga o'z vaqtida aralashish va kerakli tuzatishlarni kiritish imkonini beradi. , yoki hatto ishni umuman to'xtatishi mumkin, favqulodda vaziyat bilan aloqa qilish va h.k. Bugungi kunda har bir zamonaviy kimyoviy analitik laboratoriyada kundalik ish bo'lib qolgan fizik-kimyoviy tahlil usullarining ahamiyati haqida gapirish ortiqcha bo'lib tuyuladi. Spektroskopik usullar yordamida, xususan, quyidagi muammolarni hal qilish mumkin:
1. xom ashyoni toping va chiqarib oling;
2 .Yangi mahsulotlar va texnologiyalarni ishlab chiqish;
3 .Ishlab chiqarish jarayonlarini loyihalashtirish va optimallashtirish;
4 .Mahsulotlarning kerakli sifatini ta'minlash.
Elektromagnit nurlanishni tahlil qilinadigan moddalar tomonidan yutilishiga asoslangan tahlil usullari yutilish optik usullarining keng guruhini tashkil etadi. Yorug'likni yutganda, tahlil qilingan moddalarning atomlari va molekulalari yangi qo'zg'aladigan holatga o'tadi. Yutish zarralari turiga va so'rilgan energiyani o'zgartirish uslubiga qarab quyidagilar ajratiladi:
1. Tahlil qilinayotgan moddalar atomlari tomonidan yorug'lik energiyasini yutishiga asoslangan atomni yutish tahlili;
2. Molekulyar yutilish tahlili, ya'ni spektrning ultrabinafsha, ko'rinadigan va infraqizil mintaqalarida (spektrofotometriya, fotokolorimetriya, IQ spektroskopiya) analitikning molekulalari tomonidan nurni yutishini tahlil qilish;
3. Analitikning to'xtatilgan zarralari orqali nur energiyasining yutilishi va tarqalishini tahlil qilish (felometriya emas, turbidimetriya);
4 .Analitikning hayajonlangan molekulalari tomonidan energiya chiqarilishi natijasida hosil bo'ladigan nurlanishni o'lchash asosida lyuminesans (florometrik) tahlil. Fotokolorimetriya va spektrofotometriya nurlanishning bir hil tizimlar bilan o'zaro ta'siriga asoslangan; ular odatda fotometrik tahlil usullarining bir guruhiga birlashtirilgan. Atom emissiya spektroskopiyasi - bu moddaning elementar tarkibini uning atomlarining emissiya spektri bilan o'rganish usuli.Ultrabinafsha nurlanish va spektrning ko'rinadigan 6 mintaqasidan foydalanganda valentlik hayajonlanadi va rentgen nurlanishidan foydalanganda , atomlarning ichki elektronlari hayajonlangan. Moddani atom bug'iga aylantirish va uni qo'zg'atish uchun ko'pincha yuqori harorat ta'siridan foydalaniladi. Bunday holda, uch turdagi spektrlarning paydo bo'lishi mumkin - doimiy (yoki qattiq), chiziqli va boshqariladigan. Chiziqli spektrlar erkin atomlar va monatomik ionlarning elektronlarini qo'zg'atish jarayonlariga bog'liq. Analitik kimyo uchun ushbu turdagi spektrlar eng katta qiziqish uyg'otadi. Tashqi manbaning radiatsiya spektrining ishlatilgan mintaqasiga qarab quyidagilar ajratiladi:
1. ultrabinafsha spektroskopiya - spektrning ultrabinafsha qismida yutilish tahlili (10-400 nm);
2 .Spektrning ko'rinadigan hududidagi spektroskopiya (400-780 nm);
3 .IQ spektroskopiyasi - spektrning infraqizil mintaqasida yutilish tahlili (0,8 dan 100 mkmgacha).Elektromagnit nurlanishning moddaga ta'siri bilan bog'liq bo'lgan spektral usullar eng keng tarqalgan. Eng muhimi, assimilyatsiya spektrlari: - ultrabinafsha (UV) va spektrning ko'rinadigan hududlarida, bu erda elektrni qo'zg'atish uchun zarur bo'lgan energiya. Molekuladagi elektronlar (bu spektroskopiya turi elektron spektroskopiyasi deb ataladi); - molekulaning tebranish holatlarini o'zgartirish uchun zarur bo'lgan energiya so'rilgan infraqizil (IQ) mintaqada (IQ spektroskopiyasi tebranish spektroskopiyasi deb ham yuritiladi); - yadrolarning spinlarini qayta yo'naltirish uchun energiya sarflanadigan radio chastotali nurlanish mintaqasida (yadro magnit-rezonans spektroskopiyasi - NMR).Qattiq jismlarni o'rganish uchun kimyoviy va tarkibi, kristal tuzilishi, aralashmalarning tarqalishi va boshqa ko'plab xususiyatlar haqida to'liq ilmiy va amaliy qiziqishlarga ega bo'lgan turli xil usullardan foydalaniladi. Hozirgi vaqtda sirtni tahlil qilish usullariga alohida ahamiyat berilmoqda (sirt fazalar orasidagi interfeys sifatida tushuniladi). Qattiq jismning yuzasi haqida gapirganda, biz ko'pincha gazli va qattiq fazalar orasidagi interfeysni nazarda tutamiz. Sirtga bunday diqqat bilan e'tibor berish uning o'ziga xos xususiyatlari bilan bog'liq bo'lib, ular bir tomondan qattiq jismning o'ziga xos xususiyatlariga katta ta'sir qiladi, ikkinchidan esa yangi avlod moslamalari va moslamalarini yaratishda ishlatilishi mumkin.
Sirtni tahlil qilish usullarining aksariyat qismida korpuskulyar zarralar va elektromagnit nurlanish ta'sirida yuzaga keladigan har xil hodisalar qo'llaniladi. Agar bunday harakatlar, masalan, elektronlarning emissiyasiga olib boradigan bo'lsa va sirt spektrlarini tahlil qilish orqali sirt xususiyatlari haqida ma'lumot olinadigan bo'lsa, unda elektron spektroskopiya usullari haqida gapiriladi. Boshqa zarrachalardanfarqli o'laroq, elektronlar tadqiqot olib borilayotgan ultra yuqori vakuum kameralarining qoldiq atmosferasi tarkibini o'zgartirmaydi; ular osongina ro'yxatdan o'tkaziladi va hisobga olinadi. Oxirgi holat sirtni miqdoriy tahlilini juda oddiy bajarishga imkon beradi, ya'ni, masalan, turli xil elementlarning atomlari kontsentratsiyasi to'g'risida ma'lumot olish. Barcha elektron-spektroskopik texnikalar orasida Buger-elektron spektroskopiyasi (OES) alohida o'rin tutadi, bu ehtimol eng keng tarqalgan texnikadir⁵