Методы определения элементного состава: теоретические основы спектроскопических методов анализа

1.

Дисциплина: ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ МЕТОДЫ СУДЕБНОЭКСПЕРТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Лекция. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА

2.

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ВОЗМОЖНОСТИ
Определение качественного
и количественного
элементного состава
Определение качественного
и количественного
молекулярного состава
Определение качественного
и количественного
структурно-группового состава
ДОСТОИНСТВА
универсальность
высокая чувствительность
экспрессность
неразрушающий характер
(в ряде случаев)
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА – методы,
основанные
на
взаимодействии
вещества
с электромагнитным излучением, при котором
происходят
переходы
между
энергетическими
состояниями (уровнями) в атомах или молекулах,
содержащихся в этом веществе

3.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ –
особый вид материи, который представляет
собой распространяющееся в пространстве
возмущение (изменение) электромагнитного поля
КОРПУСКУЛЯРНОВОЛНОВОЙ
ДУАЛИЗМ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
КОРПУСКУЛЯРНЫЕ
СВОЙСТВА
(СВОЙСТВА ЧАСТИЦ)
СОСТОИТ
ИЗ ФОТОНОВ,
ОБЛАДАЮЩИХ
ЭНЕРГИЕЙ Е
ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА
(СВОЙСТВА ВОЛНЫ)
ВОЛНОВОЙ ХАРАКТЕР
РАСПРОСТРАНЕНИЯ

4.

СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
y
x
x – направление распространения волны
y – амплитуда волны

5.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
НАИМЕНОВАНИЕ
ФОРМУЛА
Длина волны
ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
метр
микрометр (1 мкм = 1х10-6 м)
нанометр (1 нм = 1х10-9 м)
расстояние, проходимое
волной за время одного
полного колебания
Частота
обратная секунда (с-1),
или герц (1 Гц = 1 с-1)
число полных колебаний,
совершаемых волной
в одну секунду
Волновое число
число длин волн
в единице длины
обратный сантиметр (см-1)
Уравнение Планка
для энергии фотона
джоуль (Дж)
электрон-Вольт (эВ)
где h – постоянная Планка,
с – скорость света
в вакууме

6.

ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Вид излучения
Гамма-излучение
Рентгеновское
излучение
Характеристика
электромагнитного
излучения
Иные
Длина
волны λ, характеристики
см
10-11 – 10-9
Е ~ 107 эВ
10-9 – 10-6
Оптическая область
Ультрафиолетовое
излучение
Видимое
излучение
10-6 –10-1
Инфракрасное
излучение
Микроволновое
излучение
Радиоволны
10-1 - 10
> 10
Метод
анализа
Рентгеновские
методы атомной
спектроскопии
(РСА, РФА)
λ = 10 – 400 нм Оптические методы
λ = 0.01 – 0.4 мкм атомной
спектроскопии
Для
аналитических (АЭС, ААС)
Молекулярная
целей:
λ = 180 – 400 нм абсорбционная
λ = 400 – 700 нм спектроскопия в УФ
λ = 0.4 – 0.7 мкм и видимой области
(спектрофотометрия)
Люминесцентный
анализ
λ = 700 – 1000000 ИК спектроскопия
КР спектроскопия
нм
λ = 0.7–1000 мкм
-1
= 14000–10 см
Для
аналитических
целей:
λ = 2 – 50 мкм
-1
= 5000–200 см
-1
= 10 – 0.1 см
Е ~ 105 эВ
λ = 0.01 – 10 нм
ν ˂ 3 ГГц
Процесс
Изменение
состояний
ядер (ядерные
реакции)
Изменение
состояний
внутренних
электронов
Изменение
состояний
внешних
(валентных)
электронов
Изменение
колебательных
состояний
молекул
Изменение
вращательных
состояний
молекул
Изменение
Спектроскопия
состояний
ЯМР
Спектроскопия ЭПР спинов ядер
и электронов

7.

Спектр электромагнитного излучения

8.

СХЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ И ПЕРЕХОДОВ
В АТОМЕ
В МОЛЕКУЛЕ
E2
n=3
E1
n=2
E0
n=1
Энергия свободного атома определяется
энергией его электронов:
Еат = Еэл
Энергия
молекулы
включает
энергию
электронов, колебательную и вращательную
энергии: Емол = Еэл + Екол + Евр

9.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР
Спектр – зависимость количества поглощенных
или излученных веществом фотонов от длины
волны или другого параметра, характеризующего
электромагнитное излучение

10.

Спектры испускания
Сплошной
Линейчатый
Полосатый

11.

Спектры испускания
Натрий
Водород
Гелий
Спектры поглощения
Натрий
Водород
Гелий

12.

КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
ПО ДИАПАЗОНУ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
РЕНТГЕНОВСКАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ
(энергетические переходы
внутренних электронов
атомов)
СПЕКТРОСКОПИЯ В УФ
И ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ
(энергетические переходы
внешних электронов атомов
и молекул)
ИНФРАКРАСНАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ
(энергетические переходы
между колебательными
уровнями молекул)
РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ
(энергетические переходы,
связанные с изменением
спинов ядер и электронов)
ПО ХАРАКТЕРУ ПОЛУЧАЕМОЙ
ИНФОРМАЦИИ
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА
АТОМНАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ
РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА
(МОЛЕКУЛЯРНАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ)
СПЕКТРОСКОПИЯ В УФ
И ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ
АНАЛИЗ
ИК и КР спектроскопия
ЯМР и ЭПР спектроскопия