Вопрос 28. Современные методы исследования руд

Спектральный анализ вещества.

Спектральный анализ основан на свойстве атомов и ионов химических элементов, находящихся в парообразном состоянии, излучать характерный световой спектр.

Спектром называется упорядоченная совокупность пространственно разделенных световых колебаний, излучаемых атомами или молекулами. Каждое световое колебание характеризуется определенной длиной волны  и частотой  и относится к ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спектра. Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи не видны человеческому глазу, но фиксируются с помощью физических приборов или специальными фотоматериалами - пластинками и пленками. Спектры испускания могут быть линейчатыми, полосатыми и сплошными. Спектры, излучаемые атомами, являются линейчатыми и состоят из ряда линий, характеризующихся различными длинами волн. Молекулярные спектры являются полосатыми и образуются в тех случаях, когда температура нагрева вещества недостаточна для полной диссоциации молекул на атомы и ионы. Сплошные спектры излучаются раскаленными твердыми или жидкими телами.

Возникновение спектров объясняется с позиций современных представлений о строении атома, согласно которым атом может находиться в различных, но строго определенных энергетических состояниях. Состояние с минимальной энергией называется нормальнымили основным и является наиболее устойчивым. Другие состояния –возбужденные- являются менее устойчивыми. Переход атома из возбужденного состояния в основное или другое возбужденное состояние сопровождается выделением кванта света.

Таким образом, набор длин волн спектральных линий, излучаемых атомом, определяется набором энергетических состояний, в которых он может находиться. Понятно, что чем сложнее строение атомов химических элементов и чем больше у них электронов, тем больше будет спектральных линий в спектре элемента. Так, в спектре атома водорода около 30 линий, спектр железа насчитывает более 3000 линий, в спектре молибдена 1000 линий, в спектре кобальта 600 линий. В настоящее время определено и изучено более 100 000 спектральных линий.

Виды спектрального анализа

Существует два вида спектрального анализа - качественный и количественный.

К а ч е с т в е н н ы й с п е к т р а л ь н ы й а н а л и з является наиболее быстрым и достаточно простым. Он позволяет установить наличие химических элементов в спектре пробы по одной-двум характерным аналитическим линиям, и очень приблизительно оценить количественное содержание этих элементов. Аналитической линией называется линия, которая при уменьшении содержания элемента в пробе исчезает в его спектре последней. Обычно это наиболее интенсивные линии в спектре элемента. При наблюдени за испарением пробы можно получить некоторые данные, способствующие расшифровке спектрограммы, диагностике минерала. Так, цветное пламя наблюдается в минералах, содержащих следующие элементы: Li (малиново-красное), Na (ярко-желтое), Ca (розовато-оранжевое), Ва (зеленое с чуть желтоватым оттенком), В (зеленое с синеватым оттенком - изумрудное), Sr (ярко-красное), Cu (зеленовато-голубое - бирюзовое).

К о л и ч е с т в е н н ы й с п е к т р а л ь н ы й а н а л и з применяется для определения содержания элементов в пробе. Он требует обязательного сравнения полученных спектрограмм исследуемых проб со спектрограммами нескольких эталонов. При этом необходимо фотографировать спектры проб и эталонов при одинаковых условиях, а при расшифровке спектрограмм - интенсивность линий проб и эталонов измерять фотометрическим способом на специальных приборах - микрофотометрах. Большую трудность при количественном анализе представляет подбор эталонов, которые по своему химическому и минералого-петрографическому составу должны быть близки к исследуемым образцам.

Эмиссионный микроспектральный анализ с лазерным отбором пробы

Л а з е р а м и называются оптические квантовые генераторы (ОКГ), излучение которых характеризуется высокой направленностью, монохроматичностью, когерентностью и высокой концентрацией энергии. Фокусируя световой пучок на объект, удается испарять минеральные включения очень малых размеров и обеспечивать интенсивную подачу в зону разряда веществ различной летучести.

В основе метода лежат два физических явления: 1) испарение анализируемого материала (минерала) как способ отбора микропробы тонкосфокусированным лазерным пучком света; 2) получение оптического эмиссионного спектра испускания при электрическом довоозбуждении испаренной плазмы вещества.