Введение
Методы химического анализа являются основными при определении состава различных веществ. Однако очень часто возникает необходимость повысить оперативность контроля, а также иметь возможность автоматизировать контроль. В связи с этим были разработаны физико-химические и физические методы определения состава материалов. Среди этих методов одно из главных мест занимает спектральный анализ. Благодаря высокой избирательности оказывается возможным быстро и с высокой чувствительностью определить химический состав анализируемого материала. Несмотря на громадное число аналитических методик, предназначенных для анализа различных объектов, все они основаны на общей принципиальной схеме. Спектральный анализ был открыт в 1860 г. Кирхгофом, Бунзеном. Они установили, что каждому химическому элементу принадлежит свой спектр. Подобно отпечаткам пальцев у людей, спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10 г. Это очень чувствительный метод.
Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны (кроме определения состава метеоритов). Оказалось, что звезды состоят из химических элементов, которые имеются и на Земле.
С развитием техники спектральный анализ стал применяться очень широко. Так, француз Грамон в Первую мировую войну доказал, что взрывы на улицах Парижа происходят от снарядов немецкой пушки «Большая Берта», которая стреляла с невиданного расстояния 120 км. Оптик Роберт Вуд в 1891 г. продемонстрировал всем, что в студенческой столовой одного из американских университетов предлагают жаркое, приготовленное из остатков не доеденных вчера бифштексов. В 1861 г. Кирхгоф и Бунзен открыли цезий, рубидий. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово «цезий» означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.
В 1861 г. Крукс открыл таллий. В 1863 г. Райх и Рихтер открыли индий, в 1875 г. - гелий. В 1868 г. астроном Локьер обнаружил яркую желтую линию в спектре Солнца. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный». В 1875 г. Рамзай обнаружил такую же линию в минерале клеевиде и подтвердил реальное существование гелия. Всего с помощью спектрального анализа было открыто 25 элементов таблицы Менделеева. Были конечно и сбои. Так в спектре туманностей был обнаружен элемент, который назвали «небулий», а в спектре короны солнца - «короний». Впоследствии они оказались кислородом и кальцием.
Несмотря на широкий диапазон проблем, доступных спектральному анализу, он пока еще не использовался широко в аналитической практике по двум причинам: во-первых, спектральный анализ был чисто качественным, в лучшем случае полуколичественным, во-вторых, дороговизна и редкость аппаратуры, отсутствие специалистов, владевших спектрально-аналитической методикой.
Тем не менее в 1-й четверти XX века было закончено создание качественного спектрального анализа: изучены спектры элементов, составлены их таблицы, разработана техника фотографирования и измерения спектров.
В России начало применения на практике методов спектрального анализа относится к 1909-1915 гг. В этот период В.И. Вернадский и его сотрудники вели разработку спектральных методов анализа применительно к анализам минералов. Ими были изучены методы спектрального определения элементов - индия, галлия, таллия, рубидия, цезия - в минералах, добываемых в России. В начале 30-х гг. в СССР Г.С. Ландсберг и Д.С. Рождественский организовали первые лаборатории, задачей которых было развитие и внедрение в промышленность методов спектрального анализа.
Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ в настоящее время является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной промышленности. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов. Основную нагрузку в этих областях науки несут металлы. Основой всех металлов является железо. Спектральный анализ сплавов на основе железа называется стилоскопированием.
Для качественного определения элементов достаточно удостовериться в наличии или отсутствии их линий в спектрах проб. Как правило, спектры получают в широких диапазонах длин волн, чтобы иметь возможность делать выводы о присутствии возможно большего числа элементов.