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第七章 原子发射光谱分析 (Atomic Emission Spectrometry, AES) §7-1 光学分析概述 一、电磁辐射和电磁波谱 1.电磁辐射(电磁波,光) :以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量形式,它是检测物质内在微观信息的最佳信使。 2.电磁辐射的性质:具有波、粒二像性;其能量交换一般为单光子形式,且必须满足量子跃迁能量公式: 3.电磁波谱:电磁辐射按波长顺序排列就称光谱。 三、发射光谱与吸收光谱 §7-2 原子发射光谱分析原理 一、原子发射光谱的产生 物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量,变为激发态原子或分子M* ,当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。 M* ?? M + hv 通过测量物质的激发态原子发射光谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫发射光谱分析法。 根据发射光谱所在的光谱区域和激发方法不同,发射光谱法有许多技术,我们仅讨论常规的方法:用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源,使被测物质原子化并激发气态原子或离子的外层电子,使其发射特征的电磁辐射,利用光谱技术记录后进行分析的方法叫原子发射光谱分析法,波长范围一般在190~900nm。 一般情况下,原子处于基态,在激发光源作用下,原子获得能量,外层电子从基态跃迁到较高能态变为激发态 ,约经 10-8 s,外层电子就从高能级向较低能级或基态跃迁,多余的能量的发射可得到一条光谱线。 原子中某一外层电子由基态激发到高能级所需要的能 量称为激发电位(Excitation potential)。 原子光谱中每一条谱线的产生各有其相应的激发电位。由激发态向基态跃迁所发射的谱线称为共振线(resonance line)。共振线具有最小的激发电位,因此最容易被激发,为该元素最强的谱线。 离子也可能被激发,其外层电子跃迁也发射光谱。由于离子和原子具有不同的能级,所以离子发射的光谱与原子发射的光谱不一样。每一条离子线都有其激发电位。这些离子线的激发电位大小与电离电位高低无关 在原子谱线表中,罗马数Ⅰ表示中性原子发射光谱的谱线,Ⅱ表示一次电离离子发射的谱线,Ⅲ表示二次电离离子发射的谱线?例如Mg Ⅰ285.21nm为原子线,MgⅡ280.27nm为一次电离离子线。 二、热平衡态与原子布居数目 玻尔兹曼关系式: 此关系式表明激发温度越高、元素的激发电位越低,则原子光谱线就越强;且特征发射光谱线的强度与基态原子浓度呈正比关系。 三、谱线的自吸与自蚀(self-absorption and self-reversal of spectral lines) 在一般光源中,是在弧焰中产生的,弧焰具有一定的厚度,弧焰中心a的温度最高,边缘b的温度较低。由弧焰中心发射出来的辐射光,必须通过整个弧焰才能射出,由于弧层边缘的温度较低,因而这里处于基态的同类原子较多。这些低能态的同类原子能吸收高能态原子发射出来的光而产生吸收光谱。原子在高温时被激发,发射某一波长的谱线,而处于低温状态的同类原子又能吸收这一波长的辐射,这种现象称为自吸现象。当自吸现象非常严重时,谱线中心的辐射将完全被吸收,这种现象称为自蚀。 §7-3 原子发射光谱分析仪器 一、光源(Light source): 光源是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发,产生光谱。 目前常用的光源有高温火焰、直流电弧(DC arc)、交流电弧(AC arc)、电火花(electric spark)及电感耦合高频等离子体(ICP)。 1. 直流电弧 直流电弧的最大优点是电极头温度相对比较高(4000至7000K,与其它光源比),蒸发能力强、绝对灵敏度高、背景小;缺点是放电不稳定,且弧较厚,自吸现象严重,故不适宜用于高含量定量分析,但可很好地应用于矿石等的定性、半定量及痕量元素的定量分析。 2. 交流电弧 与直流相比,交流电弧的电极头温度稍低一些,但弧温较高,出现的离子线比支流电弧中多。由于有控制放电装置,故电弧较稳定。广泛用于定性、定量分析中,但灵敏度稍差。这种电源常用于金属、合金中低含量元素的定量分析。 这种光源主要用于易熔金属合金试样的分析及高 含量元素的定量分析。 4. 等离
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