Развитие спектрального анализа

Спектральным анализом называется физический метод определения химического состава вещества, основанный на изучении спектра излучения или поглощения электромагнитных волн этим веществом. Различают качественный и количественный анализ. Задачей качественного спектрального анализа является установление всех химических элементов, из которых состоит исследуемый образец. Она решается путем измерения длин волн спектральных линий излучения вещества и отождествления их по таблицам с определенными химическими элементами.

В задачу количественного спектрального анализа входит определение концентраций химических элементов, содержащихся в веществе-источнике излучения. Этот анализ производится путем измерения интенсивностей спектральных линий данного элемента и последующего сравнения их с интенсивностями тех же линий в образцах с известной концентрацией того же элемента.

Спектральный анализ в подавляющем большинстве случаев точнее, быстрее и чувствительнее химических методов и поэтому широко применяется в современном производстве и в научных исследованиях. Особую роль играет спектральный анализ в астрофизике: здесь это единственный экспериментальный метод определения химического состава в строении звезд.

Путь к современным методам, технике и пониманию физических основ спектрального анализа был длинным и непростым. Началом систематического изучения спектров излучения вещества следует считать работы И. Ньютона по преломлению света в призмах. Он первым сформулировал идею о том, что белый свет является составным, т.е. представляет собой смесь лучей различного цвета и различной преломляемости.

В 1834 г. Ф. Тальбо первым пришел к заключению: “Когда в спектре пламени появляются какие-либо определенные линии, они характеризуют металл, содержащийся в пламени”. В 1835 г. Ч. Уитстон, исследуя спектр электрической искры, подтверждает эту мысль: линии спектра зависят только от качества электродов, причем для каждого материала характерен свой спектр.

В 1854-1859 г.г. физик Г.Р. Кирхгоф и химик Р.Б. Бунзен провели большую серию экспериментов со спектрами излучения различных веществ, возбуждаемых в пламени газовой горелки, и пришли к фундаментальному выводу: “Разнообразие соединений, в которые входили металлы, разнообразие химических процессов, происходивших в различных пламенях, и огромный интервал температур – все это не оказывает никакого влияния на положение спектральных линий отдельных металлов”. Тем самым были сформулированы основы спектрального анализа: однозначная связь вида спектра с химической индивидуальностью атомов данного элемента. Сейчас говорят так: спектры – это паспорта атомов.

Плодотворность спектральных методов не замедлила проявиться: стоило в спектре какого-то соединения обнаружить неизвестные ранее линии, как химическим путем из этого соединения извлекался новый элемент. Так были открыты: рубидий (1860 г.), цезий (1861 г.), таллий (1862 г.), индий (1863 г.), галлий (1875 г.), гелий (1895 г.).

Однако, несмотря на значительные успехи в практическом применении спектрального анализа, вплоть до начала XX века оставались неясными фундаментальные физические вопросы: как устроен атом; почему спектры излучения атомов состоит из отдельных узких линий, тогда как спектры излучения молекул представляет собой набор относительно широких полос; почему спектры всех элементов разные? Иными словами: каков механизм излучения и поглощения света веществом. Ответить на эти вопросы классическая физика не смогла.