Спектральный анализ - GeoJet
info@geojetexploration.com
+7 (495) 477-43-32 Москва +7 (705) 777-01-39 Алматы

Спектральный анализ

Спектральный анализ (СА) – это способ определения химического состава вещества с помощью спектров, испускаемых и поглощаемых его атомами и молекулами. Он широко применяется в самых разных сферах деятельности человека: геологии, астрономии, химии, археологии, медицине, метеорологии, экологии, искусствоведении и многих других.

В зависимости от процесса, лежащего в основе метода СА, различаются два вида анализа:

  • эмиссионный – основанный на испускании излучения;
  • абсорбционный – основанный на поглощении излучения.

Спектральный анализ

Изображение с сайта www.keywordbaskets.com

Также СА бывает атомный (изучает состав вещества на уровне химических элементов) и молекулярный (исследует структуру вещества на уровне молекул).

Занимается СА такой раздел физики, как спектроскопия. В современном мире применение спектроскопии расширяется – и связано это с тем фактом, что спектральный анализ может проводиться не только для оптического диапазона электромагнитного спектра, но и для других его частей. Например, существует спектральный анализ радиочастот, микроволн, рентгеновских лучей. Кроме того, производится СА акустических волн.

Историческая справка

 В 17 веке И. Ньютон впервые расщепил свет с помощью призмы и ввёл термин “спектр”.

В начале 19 века английский физик и химик У. Волластон и немецкий физик Й. Фраунгофер независимо друг от друга создали первые спектроскопы. Фраунгофером были написаны и первые научные труды по изучению спектров. Он первый изучил и систематизировал спектральные линии.

Г. Кирхгоф и Р. Бунзен – немецкие физики – во второй половине 19 века выявили связь химических элементов и их спектра и таким образом открыли спектральный анализ. С помощью СА были обнаружены новые химические элементы – таллий, цезий, гелий и другие.

Физическая основа СА

Атомы веществ содержат заряженные частицы, которые, двигаясь, излучают электромагнитные волны. Каждый химический элемент характеризуется своей уникальной резонансной частотой, на которой он излучает свет или поглощает его.

На спектральной полосе появляются узкие спектральные линии, отражающие усиление и ослабление излучения частицы при переходе на более высокий энергетический уровень и возврате назад под действием источника света. Специфическая совокупность линий на спектре позволяет идентифицировать химические элементы. По этой причине атомный спектр называют линейчатым.

Спектральный анализ

Линейчатые спектры. Изображение с сайта sfiz.ru

Молекулярные спектры обычно содержат близко расположенные линии или полосы в зависимости от сложности строения молекулы.

Спектральный анализ

Изображение из учебного пособия А.Д.Заикина, НГТУ (сайт pitf.ftf.nstu.ru)

Спектральный анализ

Спектр изучения бутана. Изображение с сайта prezentacii.org

При проведении эмиссионного анализа на вещество оказывается воздействие для приведения атомов и молекул в возбуждённое состояние: производятся предварительный нагрев и испарение, так как излучение газов лучше подходит для изучения.

В случае абсорбционного анализа возбуждение не требуется. Здесь применяется источник, излучающий сплошной спектр (например, лазер, лампа). Перед ним помещается исследуемое вещество и изучается спектр поглощённого излучения.

Помимо названных, существуют и другие виды СА: лазерный, масс-спектрометрический, атомно-флуоресцетный и другие.

Оборудование для СА

Спектральный анализ – быстрый, точный и при этом простой метод изучения состава самых разных веществ. Большим его достоинством является и то, что он не требует большого объёма материала для изучения (достаточно пары десятков миллиграмм).

Проводится спектральный анализ с помощью спектрометров. В современном виде эти приборы оснащены камерами, компьютерами и специальным программным обеспечением.

Оборудование для СА может быть как лабораторным стационарным, так и мобильным.

В геологии применяются и портативные спектрометры, позволяющие в полевых условиях определять состав руды, грунта.

Известными зарубежными производителями спектрометров являются SHIMADZU (Япония), Bruker Optik GmbH (Германия), Thermo Fisher Scientific (США) и другие.

Российская техника представлена фирмами Кортэк, Симекс, Люмэкс и т.д.

Спектральный анализ

Атомно-абсорбционный спектрометр ContrAA 700

Применение СА в геологической сфере

Спектральный анализ в геологии применяется для определения состава минералов, горных пород на разных стадиях геологоразведочных работ, при разработке месторождений.

В нефтедобывающей отрасли с помощью молекулярного СА успешно изучается состав нефти.

В горном деле данный вид исследований используется для анализа проб в процессе переработки руды и её обогащения.

СА космоснимков позволяет дистанционно выявлять участки проявления на поверхности земли или в непосредственной близости от нее различных типов горных пород и минералов, а также областей реализации комплекса геологических процессов, которые приводят к вторичным изменениям пород начиная от гидротермальной переработки, заканчивая карстовыми процессами разрушения. Современные методики направлены на создании и совершенствовании библиотек спектральных образов горных пород и минералов, а также программных алгоритмов автоматического распознавания образов на основании самообучающихся моделей и искусственного интеллекта.

Также проводятся опыты по установке на атмосферные летательные аппараты (самолеты, вертолеты, БПЛА) мульти- и гиперспектральных датчиков, регистрирующих солнечное или искусственно созданное излучение, отраженное от поверхности материалов, для распознавания горных пород с воздуха.