Оптический спектрометр
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( декабрь 2010 г. ) |
Оптический спектрометр ( спектрофотометр , спектрограф или спектроскоп ) — это инструмент, используемый для измерения свойств света в определенной части электромагнитного спектра , обычно используемый в спектроскопическом анализе для идентификации материалов. [1] Измеряемой переменной чаще всего является интенсивность излучения света, но также может быть, например, состояние поляризации . Независимая переменная обычно представляет собой длину волны света или близкую к ней физическую величину, такую как соответствующее волновое число или энергия фотона , в таких единицах измерения, как сантиметры, обратные сантиметры или электронвольты соответственно.
Спектрометр спектроскопии используется в и измерения для получения спектральных линий их длин волн и интенсивностей. Спектрометры могут работать в широком диапазоне неоптических длин волн, от гамма-лучей и рентгеновских лучей до дальнего инфракрасного диапазона . Если прибор предназначен для измерения спектра в абсолютной, а не относительной шкале, его обычно называют спектрофотометром . Большинство спектрофотометров используются в спектральных областях, близких к видимому спектру.
Спектрометр, откалиброванный для измерения падающей оптической мощности, называется спектрорадиометром . [2]
В общем, любой конкретный прибор будет работать в небольшой части этого общего диапазона из-за различных методов, используемых для измерения разных частей спектра. Ниже оптических частот (то есть на микроволновых и радиочастотах ) анализатор спектра представляет собой тесно связанное электронное устройство.
Спектрометры используются во многих областях. Например, они используются в астрономии для анализа излучения объектов и определения их химического состава. Спектрометр использует призму или решетку для распределения света в спектр. Это позволяет астрономам обнаруживать многие химические элементы по их характерным спектральным линиям. Эти линии названы в честь элементов, которые их вызывают, таких как водорода альфа- , бета- и гамма-линии . Светящийся объект покажет яркие спектральные линии. Темные линии образуются в результате поглощения, например, света, проходящего через газовое облако, и эти линии поглощения также могут идентифицировать химические соединения. Большая часть наших знаний о химическом составе Вселенной исходит из спектров.
Спектроскопы
[ редактировать ] | |
| Другие имена | Спектрограф |
|---|---|
| Похожие товары | Масс-спектрограф |
Спектроскопы часто используются в астрономии и некоторых областях химии . Ранние спектроскопы представляли собой просто призмы с градуировкой, обозначающей длину волны света. Современные спектроскопы обычно используют дифракционную решетку , подвижную щель и своего рода фотодетектор , причем все это автоматизировано и контролируется компьютером . Последние достижения привели к увеличению использования вычислительных алгоритмов в ряде миниатюрных спектрометров без дифракционных решеток, например, за счет использования матриц фильтров на основе квантовых точек на ПЗС-чипе. [3] или серия фотодетекторов, реализованных на одной наноструктуре. [4]
Йозеф фон Фраунгофер разработал первый современный спектроскоп, объединив призму, дифракционную щель и телескоп таким образом, что увеличило спектральное разрешение и его можно было воспроизвести в других лабораториях. Фраунгофер также изобрел первый дифракционный спектроскоп. [5] Густав Роберт Кирхгоф и Роберт Бунзен открыли применение спектроскопов для химического анализа и использовали этот подход для открытия цезия и рубидия . [6] [7] Анализ Кирхгофа и Бунзена также позволил химическое объяснение звездных спектров , включая линии Фраунгофера . [8]
Когда материал нагревается до накаливания, он излучает свет , характерный для атомного состава материала.Определенные частоты света порождают четко определенные полосы на шкале, которые можно рассматривать как отпечатки пальцев. Например, элемент натрий имеет очень характерную двойную желтую полосу, известную как D-линии натрия, на длинах волн 588,9950 и 589,5924 нанометров, цвет которой знаком каждому, кто видел натриевую лампу низкого давления .
В оригинальной конструкции спектроскопа начала XIX века свет попадал в щель, и коллимирующая линза преобразовывала его в тонкий пучок параллельных лучей. Затем свет проходил через призму (в ручных спектроскопах обычно призму Амичи ), которая преломляла луч в спектр, поскольку разные длины волн преломлялись в разной степени из-за дисперсии . Затем это изображение просматривалось через трубку со шкалой, которая была транспонирована на спектральное изображение, что позволяло его напрямую измерить.
С развитием фотопленки более точный спектрограф был создан . Он был основан на том же принципе, что и спектроскоп, но вместо зрительной трубы в нем была камера. В последние годы электронные схемы, построенные вокруг фотоумножителя , заменили камеру, что позволяет проводить спектрографический анализ в реальном времени с гораздо большей точностью. Массивы фотосенсоров также используются вместо пленки в спектрографических системах. Такой спектральный анализ, или спектроскопия, стал важным научным инструментом для анализа состава неизвестного материала, изучения астрономических явлений и проверки астрономических теорий.
В современных спектрографах в УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазонах спектр обычно задается в виде числа фотонов на единицу длины волны (нм или мкм), волнового числа (мкм). −1 , см −1 ), частота (ТГц) или энергия (эВ), единицы измерения указаны по оси абсцисс . В среднем и дальнем ИК-диапазоне спектры обычно выражаются в единицах ватт на единицу длины волны (мкм) или волнового числа (см). −1 ). Во многих случаях спектр отображается с оставленными подразумеваемыми единицами измерения (например, «цифровые счетчики» на спектральный канал).
В геммологии
[ редактировать ]Геммологи часто используют спектроскопы для определения спектров поглощения драгоценных камней, что позволяет им делать выводы о том, какой драгоценный камень они исследуют. [9] Геммолог может сравнить спектр поглощения, который он наблюдает, с каталогом спектров различных драгоценных камней, чтобы определить точную идентичность драгоценного камня.
Спектрографы
[ редактировать ]
Спектрограф — это прибор, который разделяет свет по длинам волн и записывает эти данные. [11] Спектрограф обычно имеет многоканальную детекторную систему или камеру, которая обнаруживает и записывает спектр света. [11] [12]
Этот термин был впервые использован в 1876 году доктором Генри Дрейпером , когда он изобрел самую раннюю версию этого устройства и с его помощью сделал несколько фотографий спектра Веги . Эта ранняя версия спектрографа была громоздкой в использовании и сложной в управлении. [13]
Существует несколько типов машин, называемых спектрографами , в зависимости от конкретной природы волн. Первые спектрографы использовали фотобумагу в качестве детектора . Растительный пигмент фитохром был обнаружен с помощью спектрографа, в котором в качестве детектора использовались живые растения. В более поздних спектрографах используются электронные детекторы, такие как ПЗС-матрицы , которые можно использовать как для видимого, так и для УФ- света. Точный выбор детектора зависит от длины волны регистрируемого света.
Спектрограф иногда называют полихроматором по аналогии с монохроматором .
Звездный и солнечный спектрограф
[ редактировать ]звезд Спектральная классификация и открытие главной последовательности , закона Хаббла и последовательности Хаббла были выполнены с помощью спектрографов, использующих фотобумагу. Космический телескоп Джеймса Уэбба содержит как спектрограф ближнего инфракрасного диапазона ( NIRSpec ), так и спектрограф среднего инфракрасного диапазона ( MIRI ).
Шкала спектрографа
[ редактировать ]Спектрограф на основе эшелле использует две дифракционные решетки , повернутые на 90 градусов относительно друг друга и расположенные близко друг к другу. Поэтому используется точка входа, а не щель, и спектр записывает ПЗС-чип. Обе решетки имеют широкий интервал, одна из которых освещена так, что виден только первый порядок, а другая - с видимыми многими более высокими порядками, поэтому на ПЗС-матрицу подается очень тонкий спектр.
Безщелевой спектрограф
[ редактировать ]В обычных спектрографах в луч вставляют щель, чтобы ограничить протяженность изображения в направлении дисперсии. В безщелевом спектрографе щель отсутствует; в результате получаются изображения, в которых информация изображения свертывается со спектральной информацией в направлении дисперсии. Если поле недостаточно разрежено, то спектры от разных источников в поле изображения будут перекрываться. Дело в том, что безщелевые спектрографы могут создавать спектральные изображения гораздо быстрее, чем сканирование обычным спектрографом. Это полезно в таких приложениях, как физика Солнца , где важна эволюция во времени.
См. также
[ редактировать ]- Круговой дихроизм
- Спектрограф космического происхождения
- Монохроматор Черни-Тёрнера
- Визуализирующий спектрометр
- Список астрономических инструментов
- Список источников света
- Длиннощелевая спектроскопия
- Призматический спектрометр
- Сканирующий измеритель подвижности частиц
- Спектрограмма
- Спектрометр
- Спектрорадиометр
- Спектроскопия
- Фазированная решетка с виртуальным изображением
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Батлер, LRP; Лакуа, К. (1995). «Номенклатура, символы, единицы измерения и их использование в спектрохимическом анализе-IX. Приборы для спектральной дисперсии и изоляции оптического излучения (Рекомендации ИЮПАК 1995 г.)» . Чистое приложение. Хим . 67 (10): 1725–1744. дои : 10.1351/pac199567101725 . S2CID 94991425 .
Спектрометр — это общий термин для описания комбинации спектрального прибора с одним или несколькими детекторами для измерения интенсивности одной или нескольких спектральных полос.
- ^ Шнайдер, Т.; Янг, Р.; Берген, Т.; Дам-Хансен, К; Гудман, Т.; Джордан, В.; Ли, Д.-Х; Окура, Т.; Сперфельд, П.; Торсет, А; Зонг, Ю. (2022). CIE 250:2022 Спектрорадиометрические измерения источников оптического излучения . Вена: CIE - Международная комиссия по освещению. ISBN 978-3-902842-23-7 .
- ^ Бао, Цзе; Бавенди, Мунги Г. (01 июля 2015 г.). «Коллоидный спектрометр квантовых точек» . Природа . 523 (7558): 67–70. Бибкод : 2015Natur.523...67B . дои : 10.1038/nature14576 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 26135449 . S2CID 4457991 .
- ^ Ян, Цзунъин, Цуй, Александр-Уэббер, Джек; Ву, Тянь-Чун; Ван, Пань; . Однопроволочные . Science 5940 365 ) ) : 1017–1020 . ( » ( 20184 6457 спектрометры S2CID « 06.09.2019 .
- ^ Брэнд, Джон CD (1995). Линии света: источники дисперсионной спектроскопии, 1800–1930 гг . Издательство Гордон и Брич. стр. 37–42. ISBN 978-2884491624 .
- ^ Уикс, Мария Эльвира (1932). «Открытие элементов. XIII. Некоторые спектроскопические открытия». Журнал химического образования . 9 (8): 1413–1434. Бибкод : 1932JChEd...9.1413W . дои : 10.1021/ed009p1413 .
- ^ «Роберт Бунзен» . информация, пожалуйста . Образование Пирсона . 2007 . Проверено 21 ноября 2011 г.
- ^ Бренд 1995 , с. 63
- ^ «Спектроскоп — Геммологический проект» . www.gemologyproject.com . Проверено 4 января 2022 г.
- ^ «Новый мощный инструмент VLT прибыл в Чили» . Объявление ESO . Проверено 11 октября 2012 г.
- ^ Jump up to: а б «Спектрометр, спектроскоп и спектрограф. Отрывок из практического руководства по спектроскопии» .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Спектрограф ». дои : 10.1351/goldbook.S05836
- ^ Джордж Баркер, Мемуары Генри Дрейпера, 1837–1882 (PDF) , стр. 103
Библиография
[ редактировать ]- Дж. Ф. Джеймс и Р. С. Штернберг (1969), Конструкция оптических спектрометров (Chapman and Hall Ltd)
- Джеймс, Джон (2007), Основы проектирования спектрографов (издательство Кембриджского университета) ISBN 0-521-86463-1
- Браунинг, Джон (1882), Как работать со спектроскопом: руководство по практическим манипуляциям со спектроскопами всех видов.
- Палмер, Кристофер (2020). Справочник по дифракционным решеткам (8-е изд.). МКС Ньюпорт.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
Оптический спектрометр в Керли
- Спектрограф для астрономических спектров
- Фотографии спектрографов, использованных в Ликской обсерватории, из цифрового архива записей Ликской обсерватории, цифровых коллекций библиотеки Калифорнийского университета в Санта-Крус.
| Инструментарий | |
|---|---|
| Техники | |
| Выборка | |
| Калибровка | |
| Выдающиеся публикации | |
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
