Люминесцентный и фотоэлектрический метод исследования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

люминесцентный фотоэлектрический анализ

Глава 1. Люминесцентный метод исследования

1.1 Общие сведение о люминесценции

1.2 Виды люминесцентного анализа и характеристика его особенностей

2. Основные закономерности свечения, используемые в люминесцентном анализе

2.1 Закон независимости спектра люминесценции от длины

волны возбуждающего свет

2.2 Закон Стокса-Ломмеля

3. Область применения люминесцентного анализа

Глава 2. Фотоэлектрический метод исследования

1. Общие сведение о фотоэлементах

1.2 Характеристики фотоэлектрического анализа

Список литературы

Глава 1 Люминесцентный метод исследования

1.1 Общие сведение о люминесценции

Люминесцемнция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.

Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфуров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Особого внимания в СССР люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов на сессии Верховного совета предложил начать изготовление экономичных люминесцентных ламп и использовать люминесценцию в анализе химических веществ. В быту явление люминесценции используется чаще всего в люминесцентных лампах «дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. На использовании явления люминесценции основано явление усиления света, экспериментально подтверждённое работами В. А. Фабриканта и лежащее в основе научно-технического направления квантовой электроники, конкретно находящее своё применение в усилителях света и генераторах стимулированного излучения (лазерах). [1]

Для того чтобы вещество начало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Тогда его частицы переходят в новое, более богатое энергией, возбужденное состояние, в котором они пребывают определенное время, после чего вновь возвращаются в невозбужденное состояние, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

Энергия возбуждения может быть подведена к веществу различными способами. В зависимости от метода возбуждения возникающее свечение получает различные названия. Так, при возбуждении свечения оптическими частотами оно носит название фотолюминесценции; свечение, возникающее под действием катодных лучей, называется катодолюминесценцией; при возбуждении веществ рентгеновыми лучами возникает рентгенолюминесценция; при облучении их лучами радиоактивных элементов наблюдается радиолюминесценция; свечение, появляющееся при химических реакциях, получило название хемилюминесценции; свечение, возникающее под действием электрического поля, называется электролюминесценцией. Люминесценция может быть получена и с помощью других источников возбуждения. [2]

1.2 Виды люминесцентного анализа и характеристика его особенностей

Люминесцентным анализом называется обнаружение и исследование различных объектов с помощью явлений люминесценции. Наиболее важной задачей люминесцентного анализа является определение химического состава исследуемых веществ и установление процентного содержания в них отдельных компонентов. Анализ такого вида носит соответственно название качественного и количественного химического люминесцентного анализа.

Качественный химический люминесцентный анализ основан на том, что люминесцентные свойства являются характерным признаком излучающего вещества, тесно связанным с его составом, общим состоянием и структурой его молекул.

Количественный химический люминесцентный анализ основан на использовании определенной зависимости между интенсивностью люминесценции и концентрацией люминесцентного вещества. В большинстве случаев условия анализа подбираются так, чтобы осуществлялась пропорциональность между интенсивностью свечения и концентрацией вещества. Однако такая зависимость имеет место лишь в случаях, когда концентрации невелики. При высоких концентрациях определяемого вещества для осуществления анализа приходится тем или иным способом учитывать сложную зависимость интенсивности свечения от концентрации.

К люминесцентному анализу относится также изучение структуры и колебательных частот молекул по спектрам излучения, создающее фундамент для качественного люминесцентного анализа.

Чисто химические задачи не исчерпывают возможностей люминесцентного анализа. С его помощью можно обнаруживать и выявлять различные объекты и их детали, изучение которых оказывается невозможным при обычных условиях наблюдения и освещения. Люминесцентный анализ такого рода получил название люминесцентного анализа обнаружения или сортового люминесцентного анализа. [3]

2. Основные закономерности свечения, используемые в люминесцентном анализе

2.1 Закон независимости спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света

При возбуждении свечения различными длинами волн молекулы вещества, поглощая кванты разной величины, попадают на различные колебательные уровни возбужденного электронного состояния. Поэтому можно ожидать, что спектр люминесценции будет зависеть от длины волны возбуждающего света. Однако оказалось, что каждое вещество в конденсированном состоянии имеет совершенно определенный спектр люминесценции, который не чувствителен к изменению длины волны возбуждающего света.

Это объясняется тем, что молекулы, перешедшие в результате возбуждения на различные колебательные уровни возбужденного состояния, успевают за время, много меньшее, чем средняя длительность возбужденного состояния , растратить часть колебательной энергии и образовать систему возбужденных молекул, обладающих равновесным распределением колебательной энергии, определяемым температурой. Из этих вполне определенных для данной температуры состояний и происходят переходы молекул в невозбужденное состояние, сопровождающиеся излучением. Поэтому на опыте всегда наблюдается один и гот же спектр люминесценции, не зависящий от длины волны возбуждающего света.

Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света позволяет на практике пользоваться для возбуждения широкими спектральными участками. При отсутствии вторичного поглощения оказывается возможным не обращать внимания на состав возбуждающего света, что очень сильно облегчает проведение анализа.

2.2 Закон Стокса-Ломмеля

Стоксом было сформулировано правило, согласно которому свет люминесценции всегда имеет большую длину волны по сравнению со светом, применявшимся для возбуждения. Однако во многих случаях правило Стокса не выполняется. Спектры поглощения и люминесценции многих веществ частично накладываются друг на друга. Если для возбуждения взять частоту (например, = 530·10-12 сек-1), находящуюся в области наложения спектров, то согласно правилу Стокса должна появляться лишь та часть спектра люминесценции, которая расположена по левую сторону от выбранной частоты. Однако в соответствии с законом независимости спектра люминесценции от возбуждающей длины волны в большинстве случаев наблюдается полный спектр люминесценции, имеющий целый ряд частот, превышающих частоту возбуждающего света (заштрихованная область). Таким образом, правило Стокса нарушается. Часть спектра люминесценции, состоящая из лучей с частотами, большими частоты возбуждающего света, называется антистоксовской. Ее возникновение можно объяснить наличием у излучающих молекул помимо энергии возбуждения еще определенного запаса колебательной энергии. Сумма энергий возбуждающего и колебательного квантов позволяет получать большие кванты люминесценции, обусловливающие появление антистоксовской части спектра. Ломмель уточнил правило Стокса, предложив для него следующую формулировку: спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн. Закон Стокса-Ломмеля строго выполняется для очень широкого круга веществ.

Сдвиг спектров люминесценции относительно спектров поглощения дает возможность более или менее просто отфильтровывать рассеянную часть возбуждающего света, примешивающегося к люминесценции. Это обстоятельство широко используется в практике люминесцентного анализа.

2.3 Закон Вавилова

С. И. Вавиловым установлено, что энергетический выход люминесценции растет пропорционально длине волны возбуждающего света, затем в некотором спектральном интервале он остается постоянным, после чего в области наложения спектров поглощения и люминесценции начинает быстро падать. Падение энергетического выхода свечения происходит в антистоксовской части спектра.

Легко показать, что пропорциональность энергетического выхода длине волны возбуждающего света соответствует постоянству квантового выхода в той же спектральной области, где в излучение всегда переходит одна и та же доля возбуждающих световых квантов. С. И. Вавилов дал своему закону формулировку, согласно которой люминесценция может сохранять постоянный квантовый выход, если возбуждающая волна преобразуется в среднем в более длинную, чем она сама. Наоборот, выход люминесценции резко уменьшается при обратном преобразовании длинных волн в короткие. Закон Вавилова широко используется в люминесцентном анализе при подборе оптимальных условий проведения опыта. [4]

3. Область применения люминесцентного анализа

При помощи люминесцентного метода обнаруживают различные детали и объекты, не видимые при обычном освещении. В палеонтологии, например, люминесцентный анализ необходим для исследования деталей отпечатков доисторических растений и животных, включенных в осадочные породы.

Люминесцентный анализ играет важную роль и в дефектоскопии. Люминесцентная дефектоскопия позволяет обнаружить микротрещины в различных изделиях, которые практически неразличимы другими методами.

Криминалисты с успехом пользуются явлением люминесценции. Так, наблюдение люминесценции кожных покровов часто необходимо при экспертизе определения давности повреждений (типа рубцов, шрамов и т. д.). Весьма полезным может быть люминесцентный анализ для исследования огнестрельных повреждений. Практически каждое входное отверстие от пули можно определить по голубоватому свечению следов оружейной смазки. Помогает люминесценция и при исследовании волос (окраску которых можно определить но характеру свечения их поперечных срезов), и при распознавании застарелых пятен крови. По цвету свечения могут быть разделены кости погребенных и сожженных трупов. Если на ручки дверей складских помещений, сейфов незаметно нанести порошок люминофора, то на руках похитителя останутся следы, хорошо видимые в свете УФ-лампы. Один из простейших приемов люминесцентного анализа - осмотр в УФ-лучах используется для обнаружения фальшивых документов.

Этот же прием применяется и экспертами, устанавливающими автора картины или следы ее реставрации. Так, исследуя люминесценцию картины «Бурное море», приписываемой кисти И. К. Айвазовского, в 1928 г. обнаружили рядом с его якобы подписью светящиеся линии подписи другого автора, не видимые при обычном освещении. То же и в археологии, где исследование подписей и старинных рукописей в УФ-свете дает возможность читать на них стертые, попорченные места.

Прием люминесцентной метки весьма популярен в среде геологов и гидротехников. Для проектирования морских портов, дамб и речных пристаней важно знать направление и интенсивность перемещения песка в водоеме. Данные об этом получают, используя песок, меченный люминофором. Меченый песок получают при перемешивании обычного песка с суспензией люминофора в водном растворе агар-агара. Затем смесь высушивают, что приводит к закреплению люминесцирующей тонкой пленки на поверхности песчинок. Меченый песок опускают на дно водоема и ждут некоторое время, а затем отбирают пробы грунта. Отбор проб производят в разных местах водоема, так что по числу меченых песчинок легко оценить характер перемещения песчаных массивов.

Менее трудоемко применение водорастворимых люминофоров в гидрогеологии для измерения емкости различных водоемов, определения скорости течений в реках, канализационных трубах и т. д. Люминофоры начали выступать в этой роли намного раньше, чем радиоактивные изотопы, которые сейчас также применяют для подобных целей. Вот один из примеров. В 1960 г. в определенных местах Балтиморской бухты (США) в воду вылили раствор ярко люминесцирующего красителя - родамина В. На борту специального судна был сконструирован нехитрый прибор (флуориметр), регистрирующий люминесценцию воды, взятой за бортом с нужной глубины. Таким образом, двигаясь по заданному маршруту, судно давало непрерывную информацию об изменении содержания люминофора в исследуемой воде. В результате была составлена подробная картина циркуляции воды в Балтиморской бухте.

Трудно представить себе современную аналитическую химию без люминесцентного анализа. С его помощью можно определить около 50 элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Люминесцентный анализ применяют и тогда, когда интересующее химика-аналитика соединение не люминесцирует. Необходимо лишь подыскать такой реактив, который, взаимодействуя с исследуемым соединением, образует люминесцирующие продукты. Эта возможность была использована для надежного определения озона в пробах стратосферы (общее количество озона в пробе было ниже 10-7 г). Широкое применение в аналитике нашли люминесцентные индикаторы, изменяющие при титровании в точке эквивалентности цвет или интенсивность свечения титруемого раствора. [5]

Глава 2. Фотоэлектрический метод исследования

1. Общие сведение о фотоэлементах

Фотоэлемент - электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (Фотоэдс) или электрический ток (фототок). Действие фотоэлемента основывается на фотоэлектронной эмиссии или на внутренем фотоэффекте.

Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой электровакуумный прибор с 2 электродами -Фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи в фотоэлемента ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку. В газонаполненных фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены фотоэлементы сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.

Фотоэлемент действие которого основано на внутреннем фотоэффекте - полупроводниковый прибор с гомогенным электронно-дырочным переходом ( (р-n-переходом), полупроводниковым гетеропереходом или контактом металл-полупроводник. Поглощение оптического излучения в таких фотоэлементах приводит к увеличению числа свободных носителей внутри полупроводника. Под действием электрического поля перехода (контакта) носители заряда пространственно разделяются (например, в фотоэлементах с р-n-переходом электроны накапливаются в n-oбласти, а дырки - в р-области), в результате между слоями возникает фотоэдс; при замыкании внешней цепи Ф. через нагрузку начинает протекать электрический ток. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые, фотоэлемента служат Se,, CdS, Ge, Si и др.

Фотоэлементы обычно служат приёмниками излучения или приёмниками света. Полупроводниковые фотоэлементы используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию - в солнечных батареях, фотоэлектрических генераторах. [6]

История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия:

В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния. В 1954 г. в лаборатории компании «Bell Telephone» синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%. В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника «Авангард». Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов. [7]

1.2 Характеристики фотоэлектрического анализа

Фотоэлектрические методы исследования - количественные методы спектрального анализа, при которых интенсивность линий спектров излучения или поглощения измеряется непосредственно с помощью фотоэлементом и фотоумножителей, минуя обязательную при спектрофото-метрических методах анализа промежуточную ступень - получение фотоспектрограмм. Для фотоэлектрических методов исследования используются аппараты -квантометры, а также более простые по устройству спектральные приборы - монохроматоры, спектрофотометры, снабженные фотоэлементами. В основе фотоэлектрического метода исследования лежат те же зависимости, что и в основе спектрофотографических методов. [8]

Фотоэлектрические методы анализа по сравнению с химическими требуют меньшей затраты времени и дают возможность проведения анализа без отделения испытуемого вещества от других компонентов. Они служат для определения содержания кислорода, железа и хрома в технической воде, примесей в мономерах, смолах, неорганических пигментах, вспомогательных и других веществах. [9]

Список литературы

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%81%D1%86%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F

http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/1032/

http://www.meddr.ru/rukovodstvo_k_prakticheskim_zanyatiyam_po_me/metody_fiziko-himicheskih_issledovaniy/11033.html

http://www.medical-enc.ru/11/lumen_analiz.shtml

http://khimie.ru/analiticheskaya-himiya/lyuminestsentnyiy-metod-analiza

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/145731/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D4%EE%F2%EE%FD%EB%E5%EC%E5%ED%Fhttp://technoslovo.ru/geologicheskaya_entsiklopediya/page/metodyi_analiza_fotoelektricheskie.10714/

http://www.ftchemistry.dsmu.edu.ua/ana_him/lek_13.html

Размещено на Allbest.ru