Номер 6, страница 242 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

6*. Что такое спектральный анализ и как он проводится?

6*. Что такое спектральный анализ и как он проводится?

Спектральный анализ — это совокупность методов физического анализа, направленных на определение качественного и количественного состава вещества на основе изучения его спектров испускания, поглощения, отражения или люминесценции. В основе метода лежит фундаментальное свойство атомов и молекул: они способны излучать и поглощать электромагнитные волны (в том числе видимый свет) только на строго определённых, характерных для каждого химического элемента или соединения частотах (или длинах волн). Этот уникальный набор частот является своего рода «отпечатком пальца» или «спектральным паспортом» вещества.

Существует два основных вида спектрального анализа:

• Атомный эмиссионный анализ. Исследуется спектр испускания (эмиссии) вещества. Атомы образца переводятся в возбужденное состояние, как правило, с помощью высокой температуры (в пламени горелки, в электрической дуге или искре). Возбужденные атомы, возвращаясь в основное, стабильное состояние, излучают свет. Этот свет имеет линейчатый спектр, состоящий из набора ярких цветных линий на темном фоне. Положение (длина волны) этих линий указывает на то, какие химические элементы присутствуют в образце (качественный анализ).
• Атомный абсорбционный анализ. Исследуется спектр поглощения (абсорбции) вещества. Через образец (обычно в виде пара или раствора) пропускают свет от источника с непрерывным спектром (свет, содержащий все длины волн, как у радуги). Атомы вещества поглощают свет именно на тех частотах, на которых они сами могли бы излучать в возбужденном состоянии. В результате на фоне сплошного спектра появляются темные линии — линии поглощения. Их положение также однозначно определяет химический состав.

Процедура проведения спектрального анализа в общем виде включает следующие этапы:

1. Подготовка и возбуждение пробы. Небольшое количество исследуемого вещества помещается в источник возбуждения (например, в пламя или между электродами), где оно испаряется и его атомы начинают излучать свет (для эмиссионного анализа), либо через пробу пропускается свет от внешнего источника (для абсорбционного анализа).
2. Разложение света в спектр. Излученный или прошедший через пробу свет направляется в специальный оптический прибор — спектроскоп (для визуального наблюдения), спектрограф (для фотографической регистрации) или спектрометр (для электронной регистрации). Основным элементом прибора является диспергирующий элемент — призма или дифракционная решетка, который разлагает свет на составляющие его монохроматические волны.
3. Регистрация и анализ спектра. Полученный спектр регистрируется и анализируется. Определяется положение и, если необходимо, интенсивность спектральных линий.
4. Идентификация. Полученный спектр сравнивают с эталонными спектрами известных химических элементов, которые содержатся в специальных таблицах и атласах. Совпадение положений линий в исследуемом и эталонном спектрах позволяет сделать вывод о наличии соответствующего элемента в пробе. По яркости (интенсивности) спектральных линий можно судить о концентрации элемента в веществе (количественный анализ).

Ответ: Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по его спектру. Он основан на том, что каждый химический элемент имеет уникальный, характерный только для него спектр испускания или поглощения. Анализ проводится путем возбуждения свечения образца, разложения этого света в спектр с помощью спектрального аппарата (например, со спектроскопом) и сравнения полученных спектральных линий с известными эталонными спектрами.

7*. Расскажите о применении спектрального анализа.

Спектральный анализ является одним из самых мощных и универсальных методов исследования, благодаря чему он нашел широчайшее применение в самых разных областях науки и техники. Его главные преимущества — высокая чувствительность (позволяет обнаруживать ничтожно малые количества вещества, до $10^{-12}$ г), высокая точность и скорость проведения анализа, а также возможность исследовать объекты на расстоянии.

Основные области применения спектрального анализа:

• Астрофизика и космология. Это основной метод получения информации о небесных телах. С его помощью определяют химический состав атмосфер Солнца и звезд, планет, комет и межзвездного газа. Анализируя смещение спектральных линий (эффект Доплера), ученые измеряют скорость движения галактик (что привело к открытию расширения Вселенной), вращение звезд и открывают экзопланеты. По спектру также определяют температуру, давление и наличие магнитных полей у звезд.
• Промышленность и металлургия. В металлургии спектральный анализ используется для экспресс-анализа состава руд, контроля процесса плавки стали и других сплавов. Это позволяет быстро определить процентное содержание легирующих добавок (хрома, никеля, марганца) и вредных примесей, обеспечивая высокое качество конечного продукта.
• Геология и горное дело. При поиске и разведке полезных ископаемых спектральный анализ проб грунта, пород и воды позволяет быстро обнаружить наличие ценных элементов (золота, урана, платины и др.) и оценить перспективность месторождения.
• Экология и охрана окружающей среды. Метод используется для мониторинга чистоты воздуха, воды и почвы. С его помощью определяют наличие и концентрацию вредных веществ, таких как тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий), пестициды и промышленные выбросы.
• Криминалистика. Судебные эксперты используют спектральный анализ для исследования вещественных доказательств. Он помогает идентифицировать микрочастицы краски с автомобиля, попавшего в ДТП, определить состав ядов, наркотических веществ, следов пороха на руках или одежде.
• Медицина и биология. Анализ микроэлементного состава биологических образцов (крови, волос, тканей) помогает в диагностике различных заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ.
• Искусствоведение и археология. Спектральный анализ позволяет определять состав пигментов, использованных при написании картин, что помогает установить их подлинность и возраст. Также он применяется для неразрушающего анализа состава древних монет, украшений и керамики.

Ответ: Спектральный анализ широко применяется в астрофизике (для изучения состава, температуры и скорости движения небесных тел), промышленности (для контроля качества металлов и сплавов), геологии (при поиске полезных ископаемых), экологии (для мониторинга загрязнений), криминалистике (для анализа улик), медицине (для диагностики) и при экспертизе произведений искусства и археологических находок.