Спектральные методы. 
Предмет и задачи химии. 
Место химии среди естественных наук

Эти методы анализа основаны на использовании явлений испускания электромагнитного излучения атомами или молекулами определяемого вещества или взаимодействия (чаще всего поглощения) электромагнитного излучения атомами или молекулами вещества.

Испускание или поглощение электромагнитного излучения приводит к изменению внутренней энергии атомов и молекул. Состояние с минимально возможной внутренней энергией называется основным, все остальные состояния — возбужденными. Переход атома или молекулы из одного состояния в другое всегда сопровождается скачкообразным изменением энергии, т. е. получением или отдачей порции (кванта) энергии.

Квантами электромагнитного излучения являются фотоны, энергия которых связана с частотой и длиной волны излучения.

Совокупность фотонов, испускаемых или поглощаемых при переходе атома или молекулы из одного энергетического состояния в другое, называется спектральной линией. Если вся энергия этого излучения сосредоточена в достаточно узком интервале длин волн, который можно охарактеризовать значением одной длины волны, то такое излучение и соответствующую спектральную линию называют монохроматическими.

Совокупность длин волн электромагнитного излучения (спектральных линий), относящихся к определенному атому (молекуле), называется спектром данного атома (молекулы). Если энергия начального состояния Е₁ больше энергии конечного состояния Е₂, между которыми происходит переход, полученный спектр является спектром испускания; если E₁2, то получают спектр поглощения.

Переходы и соответствующие спектральные линии, проходящие с основного или на основное состояние, называются резонансными.

При излучении или поглощении квантов анализируемой системой возникают характеристические сигналы, несущие информацию о качественном и количественном составе исследуемого вещества.

Частота (длина волны) излучения определяется составом вещества. Интенсивность спектральной линии (аналитического сигнала) пропорциональна количеству частиц, вызвавших ее появление, т. е. количеству определяемого вещества или компонента сложной смеси.

Спектральные методы дают широкие возможности для изучения соответствующих аналитических сигналов в различных областях спектра электромагнитного излучения: этолучи, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое (УФ), оптическое и инфракрасное (ИК) излучение, а также микроволновое и радиоволновое.

Энергия квантов перечисленных видов излучения охватывает очень широкий диапазон — от 10⁸ до 10⁶ эВ, соответствующий диапазону частот от 10²⁰ до 10⁶ Гц.

Природа взаимодействия столь различающихся по энергии квантов с веществом принципиально отличается. Так, излучение у-квантов связано с ядерными процессами, излучение квантов в рентгеновском диапазоне обусловлено электронными переходами во внутренних электронных слоях атома, испускание квантов УФ и видимого излучения или взаимодействия вещества с ними—следствие перехода внешних валентных электронов (это область оптических методов анализа) поглощение ИК и микроволновых квантов связано с переходом между колебательными и вращательными уровнями молекул, а излучение в радиоволновом диапазоне обусловлено переходами с изменением ориентации спинов электронов или ядер атомов.

В настоящее время ряд методов анализа используется достаточно широко лишь в научно-исследовательских лабораториях. К ним относятся:

метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), основанный на явлении резонансного поглощения некоторыми атомами, молекулами или радикалами электромагнитных волн (прибор для определения — радиоспектрометр);

метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), использующий явление поглощения электромагнитных волн веществом, обусловленное ядерным магнетизмом (прибор для определения — спектрометр ядерного магнитного резонанса, ЯМР-спектрометр);

радиометрические методы, основанные на использовании радиоактивных изотопов и измерении радиоактивного излучения;

методы атомной спектроскопии (атомно-эмиссионный спектральный анализ, атомно-эмиссионная фотометрия пламени, атомно-адсорбционная спектрофотометрия), основанные на способности атомов каждого элемента в определенных условиях испускать волны определенной длины — или поглощать их;

масс-спектрометрические методы, основанные на определении масс отдельных ионизированных атомов, молекул и радикалов после их разделения в результате комбинированного действия электрических и магнитных полей (прибор для определения — масс-спектрометр).

Трудности приборного обеспечения, сложность эксплуатации, а также отсутствие стандартизованных методик испытания сдерживают применение вышеперечисленных методов в лабораториях, осуществляющих контроль качества товарных нефтепродуктов.