ज्योत प्रकाशमापन

ज्योत प्रकाशमापन : ज्योतीने उत्तेजित (ऊर्जा मिळाल्यामुळे प्रकाश उत्सर्जनक्षम) केल्यामुळे विशिष्ट द्रव्यातील अणूंनी उत्सर्जित केलेल्या प्रकाशाचे मापन करून त्यावरून त्या द्रव्याचे गुणात्मक व परिणामात्मक ⇨ रासायनिक विश्लेषण  करण्याचे (द्रव्यातील मूलद्रव्ये व त्यांचे प्रमाण काढण्याचे) तंत्र. १९४५ सालापासून या तंत्राचा मोठ्या प्रमाणावर उपयोग करण्यात येऊ लागलेला आहे. रासायनिक विश्लेषणाच्या रूढ पद्धतीशी तुलना करता ज्योत प्रकाशमापनाचे तंत्र कमी वेळ घेणारे, जास्त अचूक व अधिक सूक्ष्मदर्शी आहे. या पद्धतीने विश्लेषण करण्यास अत्यल्प द्रव्य पुरेसे होते म्हणून अनेक क्षेत्रांत या तंत्राचा वापर वाढत्या प्रमाणात होत आहे.

रूपरेषा : या तंत्राचा वापर करण्यासाठी प्रथम परीक्ष्य (ज्याचे परीक्षण-विश्लेषण करावयाचे आहे त्या) द्रव्याचा योग्य अशा द्रवात विद्राव तयार करतात. मग हा विद्राव अती उष्ण ज्योतीमध्ये घालतात. उष्णतेमुळे त्या द्रव्यातील घटक मूलद्रव्यांचे अणू किंवा आयन (विद्युत् भारित अणू) किंवा केव्हा केव्हा त्या मूलद्रव्याच्या एखाद्या संयुगाचे रेणू उत्तेजित होऊन प्रकाशाचे उत्सर्जन करू लागतात. या प्रकाशाच्या वर्णपटात कोणत्या मूलद्रव्यांच्या वर्णरेषा (विशिष्ट तरंगलांबी असलेल्या वर्णपटातील रेषा) उमटतात ते पाहून त्यावरून परीक्ष्य द्रव्यात कोणती मूलद्रव्ये आहेत हे सांगता येते (गुणात्मक विश्लेषण). विशिष्ट मूलद्रव्याच्या वर्णरेषांपैकी काही निवडक रेषांच्या तीव्रतेचे (तेजस्वीपणाचे) मापन करतात. ही तीव्रता त्या मूलद्रव्याच्या संहतीवर (एकक आकारमानाच्या विद्रावातील मूलद्रव्याच्या वस्तुमानावर) अवलंबून असते. त्या मूलद्रव्याच्या ज्ञात संहतीच्या विद्रावातील त्या त्या वर्णरेषांच्या तीव्रतांशी तुलना करून (इयत्तीकरण वक्राचा वापर करून) त्यावरून त्या मूलद्रव्याची संहती काढता येते (परिमाणात्मक विश्लेषण). याप्रमाणे ज्योत प्रकाशमापन तंत्राची थोडक्यात रूपरेषा देता येते [→ वर्णपटविज्ञान].

वस्तुतः हे तंत्र बरेच किचकट आहे. पहिल्या टप्प्यात परीक्ष्य द्रव्याचा विद्राव करताना त्यात इतर द्रव्यांची अत्यंत अल्प प्रमाणातही भेसळ न होण्याची दक्षता घ्यावी लागते. त्यासाठी वापरण्याचा विद्रावक (ज्यात द्रव्य विरघळावयाचे तो द्रव) अत्यंत विशुद्ध स्वरूपातच घेणे जरूर असते. विद्राव करण्यासाठी वापरण्याची पात्रे वगैरे अत्यंत अल्प प्रमाणातही भेसळ होऊ देणार नाहीत इतकी स्वच्छ असावी लागतात. काचेचे पात्र वापरल्यास काचेतील काही घटक सूक्ष्म प्रमाणात पाण्यात विरघळतात म्हणून काचपात्रे टाळतात.

अशा खबरदाऱ्या घेऊन ज्ञात संहतीचा केलेला विद्राव मग नियंत्रित वेगाने, सूक्ष्म तुषारांच्या स्वरूपात खास ज्वालकाच्या ज्वालेत फवारला जातो. ज्वालेचे तापमान उच्च व नियंत्रित असणे आवश्यक असते. त्यासाठी जास्त करून ऑक्सिजन-हायड्रोजन ज्वाला (तापमान ३,०००^° के.) वा ऑक्सिजन-ॲसिटिलीन ज्वाला (तापमान ३,५००^° के.) वापरतात. खास प्रयोगांत इतर प्रकारच्या ज्वालाही वापरतात.

ज्वालक : या तंत्रात वापरावयाची ज्योत अत्यंत सुस्थिर आणि तंतोतंत पुनर्निर्मितिक्षम (पुनःपुन्हा निर्माण करता येईल अशी) असणे आवश्यक असते. यासाठी कित्येक (सु. १५) खास ज्वालक (ज्वाला निर्माण करणारी उपकरणे) तयार केले आहेत. त्यांतील बेकमन ज्वालक (आ. १) जास्त प्रमाणात वापरला जातो.

हा ज्वालक म्हणजे समाक्ष (एकच अक्ष असलेल्या पण निरनिराळे व्यास असलेल्या) पद्धतीने एकत्रित केलेल्या तीन नळ्यांची जोडणी असते. सर्वांत आतली नळी ही केशनलिका (केसासारखा बारीक व्यास असलेली नलिका) असून तिच्यामधून विद्रावाचे तुषार ज्वालेत खेचले जात असतात. बाहेरच्या दोन नळ्यांपैकी एकीतून ऑक्सिजन व दुसरीतून इंधन वायू (हायड्रोजन वा ॲसिटिलीन) यांचा पुरवठा नियंत्रित त्वरेने केला जातो.

ज्योत : ज्योतीच्या वेगवेगळ्या भागांचे तापमान व तेथील रासायनिक स्थिती सर्वत्र सारखीच नसतात, म्हणून ज्योतीच्या वेगवेगळ्या भागांपासून मिळणाऱ्या वर्णपटाचे एकूण स्वरूपही वेगवेगळे होते. यासाठी विश्लेषणात ज्योतीच्या कोणत्याही निश्चित भागाचाच वापर करणे आवश्यक असते. इष्ट द्रव्यातील मूलद्रव्यांच्या बरोबरच ज्योतीत एक अखंड वर्णपट उत्सर्जित होतो. त्याचप्रमाणे ज्योतीत निष्पन्न होणाऱ्या काही मूलकांचे (म्हणजे अणुगटांचे उदा., OH, CO,… इ.) व विद्रावकाच्या रेणूंचे वा अणूंचेही वर्णपट उत्सर्जित होतात. या जादा वर्णपटांचे निराकरण होऊन फक्त इष्ट वर्णपटांचेच मापन व्हावे यासाठी काही खास योजना करतात. अशा एका योजनेची माहिती पुढे दिली आहे.

तीव्रतांचे मापन : मिळालेल्या वर्णपटातील वेगवेगळ्या अरुंद पट्ट्यांच्या तीव्रतांचे अलग अलग मापन करावे लागते. असे पट्टे अलग करण्याकरिता प्रकाशीय गाळण्यांचा (ज्या साधनातून विशिष्ट तरंगलांबीचाच प्रकाश पलीकडे जाऊ शकतो अशा साधनांचा) उपयोग करता येतो. पण त्यापेक्षा जास्त चांगला मार्ग म्हणजे एकवर्णकारकाचा [→ वर्णपटविज्ञान] उपयोग करणे हा होय. एकवर्णकारक हा एक खास प्रकारचा वर्णपटमापकच आहे, असे म्हणता येईल. म्हणजे ज्योतीचा प्रकाश प्रथम एका अरुंद फटीवर पाडून मग तो एका भिंगाच्या साहाय्याने समांतर करतात. हा प्रकाश मग लोलकावर किंवा ⇨ विवर्तन जालकावर  पडून त्याचे अपस्करण (घटक तरंगलांब्या परस्परांपासून वेगळ्या होणे) होते व वर्णपट एका अपारदर्शक पडद्यावर पाडला जातो. या पडद्यात एक सरकती फट असते. ती योग्य जागी सरकवून वर्णपटातील हव्या त्या भागातील प्रकाश पलीकडे घेता येतो.

आणवीय वर्णपटातील वर्णरेषांच्या किंवा रेणूंच्या वर्णपटातील पट्टांच्या तीव्रतामापनाचा एक मार्ग म्हणजे त्या वर्णपटाचे छायाचित्र घेऊन त्यातील वेगवेगळ्या भागांची घनता (काळ्या रंगाचा गडदपणा) मोजणे हा होय. परंतु या पद्धतीला वेळ जास्त लागतो व तिची अचूकता काहीशी कमी असते. म्हणून हल्ली जास्त प्रमाणात वापरली जाणारी पद्धत म्हणजे एकवर्णकारकातून बाहेर येणारा प्रकाश प्रकाशविद्युत् घटावर (प्रकाश पडला असता ज्याची विद्युत् स्थिती बदलते अशा साधनावर) किंवा प्रकाशगुणक नलिकेवर [→ इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्ति] पाडावयाचा व त्यामुळे प्रकाशविद्युत् घटात निर्माण होणारा विद्युत् प्रवाह मोजावयाचा ही होय. हा विद्युत् प्रवाह प्रकाशविद्युत् घटावर पडणाऱ्या प्रकाशाच्या तीव्रतेच्या सम प्रमाणात असतो. अशा विद्युत घटाला विवर्धकाची [→ इलेक्ट्रॉनीय विवर्धक] जोड दिल्यास ही रचना अत्यंत संवेदनशील होते. या पद्धतीने ज्योत प्रकाशमापन करणाऱ्या उपकरणास प्रकाशविद्युतीय ज्योत प्रकाशमापक असे म्हणतात.

प्रकाशविद्युतीय ज्योत प्रकाशमापक :आ. २ मध्ये अशा एका उपकरणाची रचना स्थूलमानाने दाखविली आहे. (१) या ज्योतीत परीक्ष्य विद्राव फवारला जातो. या ज्योतीपासून निघणारा प्रकाश (२) या भिंगाने समांतर होऊन (३) या फिरत्या तबकडीवर पडते. या तबकडीतील एक कंकणाकृती अर्ध कापून काढलेला (म्हणून पारदर्शक) असून उरलेल्या अर्ध्यावर आरसा बसविलेला असतो. (आ. २ आ). तबकडी प्रती सेकंदाला ३५ फेरे या वेगाने फिरत ठेवलेली असते. ज्या वेळी क ह्या प्रकाशासमोर तबकडीच्या आरशाचा भाग येतो तेव्हाच परावर्तनामुळे तो प्रकाश (४) या एकवर्णकारकावर पडतो व मग एकवर्णकारकातून वर्णपटाचे वेगवेगळे भाग (५) या प्रकाशविद्युत् घटावर पाडता येतात. फिरत्या तबकडीच्या योजनेमुळे वर्णपटाचा प्रकाशविद्युत् घटावर पडणारा प्रकाश प्रती सेकंदाला ३५ या कंप्रतेने (दर सेंकदाला होणाऱ्या आवर्तन संख्येने) खंडित होत असतो व तज्जन्य प्रकाशविद्युत् घटातील विद्युत् प्रवाहही या कंप्रतेचा खंडित किंवा प्रत्यावर्ती (उलटसुलट दिशेने वाहणारा) प्रवाह असतो, ही गोष्ट लक्षात घ्यावी.

(८) ही ज्योत तंतोतंत (१) सारखीच आहे. मात्र तीमध्ये फक्त शुद्ध विद्रावक फवारला जातो व त्याच्या प्रकाशाचा वर्णपट हा ज्वालेतील मूलकांचा व विद्रावकातील घटकांचा मिळून असतो. हा वर्णपट (१) या ज्वालेतूनही प्रकट होत असतोच व त्याचेच निराकरण करावयाचे आहे. त्याला निराकरणीय वर्णपट म्हणू. (८) या ज्वालेचा ख हा प्रकाश एकवर्णकारकावर पडण्यासाठी ख च्या मार्गात तबकडीचा कापलेला भाग येणे जरूर आहे. यावरुन असे दिसून येईल की, निराकरणीय वर्णपट प्रकाशविद्युत् घटावर अखंडपणे पडत राहतो [प्रत्येक अर्ध्या फेऱ्यात (१) कडून व दुसऱ्या अर्ध्या फेऱ्यात (८) कडून असा].

प्रकाशविद्युत् घटाला जोडलेल्या विवर्धकाची रचना अशी केलेली असते की, तो फक्त ३५ एवढ्याच कंप्रतेच्या विद्युत् प्रवाहाचे विवर्धन करतो. हा विवर्धित प्रवाह मग विद्युत् प्रवाहमापकाच्या साहाय्याने मोजला जातो. हे स्पष्ट आहे की, विवर्धित विद्युत् प्रवाह हा फक्त इष्ट द्रव्याच्या वर्णपटामुळेच मिळत असतो. म्हणजेच मापनातून ज्वालेतील मूलकांच्या व विद्रावकामुळे उत्पन्न होणाऱ्या वर्णपटाचे पूर्णपणे निराकरण झालेले असते.

पद्धतींचे तीन प्रकार : काही फेरफार करुन सामान्यतः अशा पद्धतीने कार्य करणारी सु. ३० उपकरणे हल्ली उपलब्ध आहेत.

वर वर्णन केलेल्या पद्धतीत मूलद्रव्यांच्या उत्सर्जन रेषांचा उपयोग करून मापन केले जाते म्हणून हिला औष्णिक उत्सर्जन वर्णपटप्रकाशमापन पद्धती (थर्मल एमिशन स्पेक्ट्रोफोटॉमेट्री, टीईएस) या नावाने ओळखतात. उत्सर्जन रेषांऐवजी शोषण रेषा वापरल्यास त्या पद्धतीला आणवीय शोषण वर्णपटप्रकाशमापन (ॲटॉमिक ॲबसॉर्पशन स्पेक्ट्रोफोटॉमेट्री, एएएस) हे नाव दिले जाते. त्याचप्रमाणे मापनासाठी द्रव्याच्या अनुस्फुरण (एका तरंगलांबीच्या प्रकाशाचे शोषण करून त्याच किंवा मोठ्या तरंगलांबीच्या प्रकाशाचे उत्सर्जन होणाऱ्या) रेषांचा वापर केल्यास त्या पद्धतीला अनुस्फुरण वर्णपटप्रकाशमापन (ॲटॉमिक फ्लुओरेसन्स स्पेक्ट्रोफोटॉमेट्री, एएफएस) या नावाने ओळखण्यात येते.

कित्येकदा ज्योतीत विशिष्ट मूलद्रव्य काही संयुगांच्या रेणूंच्या स्वरूपातच राहते. अशा वेळी आणवीय वर्णपटाऐवजी रेणवीय वर्णपटाचा उपयोग केला जातो. कित्येक मूलद्रव्यांच्या वर्णरेषा ज्योतीमध्ये पुरेशा तीव्रतेने उमटू शकत नाहीत. अशा मूलद्रव्यांचे शोषण वर्णपट वापरणे जास्त सोयीचे होते.

सामान्यतः ज्योत प्रकाशमापनासाठी किमान काही घ.सेंमी. विद्राव उपलब्ध व्हावा लागतो. पण केव्हा केव्हा हे शक्य नसते किंवा इतक्या विद्रावाचा खर्च परवडण्यासारखा नसतो. अशा परिस्थितीसाठी ज्योत प्रकाशमापनासाठी खास पद्धती व उपकरणे तयार करण्यात आलेली आहेत. त्यांच्या साहाय्याने विश्लेषण करण्यासाठी फक्त १०^⁻४ घ.सेंमी. इतका अत्यल्प विद्राव पुरेसा होतो व ३ x १०^-१३ ग्रॅ. इतक्या सूक्ष्म प्रमाणातल्या सोडियमाची किंवा १०^-१० ग्रॅ. मॅग्नेशियमाची निश्चिती करता येते.

अनुप्रयुक्तीची क्षेत्रे व मर्यादा : या तंत्राचा उपयोग करून खनिजे, माती, मिश्रधातू, रक्त, मूत्र, वनस्पतींचे रस, पेशी, सांडपाणी, पिण्याचे पाणी अशा विविध प्रकारच्या द्रव्यांतील मूलद्रव्यांचे मापन करता येते. त्यामुळे धातुविज्ञान, कृषिविज्ञान, रोगनिदान, वनस्पतिविज्ञान, गुन्हे हुडकून काढणे, प्रदूषणाचा अभ्यास अशा अत्यंत भिन्नभिन्न क्षेत्रांत त्याचा उपयोग होतो. या तंत्राने सामान्यतः १ घ. सेंमी. मध्ये सु. १०^-६ ग्रॅ. संहती असलेल्या मूलद्रव्याचे मापन करता येते. सोडियम, पोटॅशियम व आवर्त सारणीच्या दुसऱ्या गटातील मूलद्रव्ये व संक्रमण गटातील मूलद्रव्ये [→ आवर्त सारणी] यांच्या बाबतीत या पद्धतीची अचूकता याहूनही जास्त आहे. हल्ली या तंत्राच्या उपयोगाने सु. ६० मूलद्रव्यांच्या संहती निश्चित करता येतात. अगदी अलीकडे (१९७५ मध्ये) दूरचित्रवाणीच्या तंत्रात वापरल्या जाणाऱ्या सिलिकॉन द्विप्रस्थ व्हिडिकॉन [ → दूरचित्रवाणी] या उपकरणाचा उपयोग करून ज्योत प्रकाशमापन तंत्रात मोठीच सुधारणा करण्यात आलेली आहे. या पद्धतीने एकाच वेळी अनेक मूलद्रव्यांचे अभिज्ञान व मापन करता येते. भूविज्ञान, धातुविज्ञान, प्रदूषणाचे अभिज्ञान यांसारख्या क्षेत्रांमध्ये ही सुधारित पद्धती अत्यंत उपयुक्त होईल असे दिसते.

संदर्भ :

1. Mavrodineau R.  Boiteux, H. Flame Spectroscopy, New York, 1965.

2. Pungor, E. Trans. Chalmers, R. A. Flame Photometry Theory, London, 1967. 

भावे, श्री. द.

“