Атомная спектроскопия

Спектроскопические методы

Спектроскопические,2) электрохимические,3) хроматографические

Эти методы позволяют определить состав образцов, а также структуру веществ, без проведения химических реакций. Важнейшими преимуществами этих методов являются: быстрота, высокая чувствительность, избирательность, возможность автоматизации измерений и непрерывного контроля объектов. Они основаны на взаимодействии электромагнитного излучения (ЭМИ) с веществом. Вещество поглощает энергию излучения только на определённых частотах. Также только на определённых частотах вещество испускает ЭМИ при нагревании. Спектром называется зависимость степени поглощения или испускания ЭМИ от частоты или от длины волны и графически представляется кривой с максимумами и минимумами. Вид спектра и положение максимумов зависят от состава и структуры вещества.

ЭМИ обладает двоякой природой - волновой и корпускулярной, то-есть его можно рассматривать и как волну, и как частицу (квант). Явления отражения и рассеяния описывается волновой теорией, а поглощение - корпускулярной.

Частота n (в Гц) и длина волны l (в см) связаны между собой соотношением:

n=c/l,

где с - скорость света (равная 3* 10⁸ м/с).

Используют также величину 1/ l, называемую волновым числом n.

Энергия испускаемого или поглощаемого кванта равна:

Е= hn,

ЭМИ может воздействовать на ядра, электроны, атомы или молекулы, вызывая переходы между соответствующими энергетическими уровнями. В таблице 2 дан обзор диапазонов частот ЭМИ, соответствующих различным методам анализа.

Диапазон	l (м)	n (Гц)	n (см^-1)	Энергия кванта эВ	Процесс
Радиочастотный (ЯМР, ЭПР)	10^1- 10^-1	10^7- 10^9	10^-2-1	10^-4-10^-6	Переходы ядерных или электронных спинов в магнитном поле
Микроволновой	10^-1-10^-3	10^10		10^-4	Изменение вращ. х состояний молекулы
Оптический ИК ближний средний дальний	10^-3 10^-4 10^-5	3 10^14 3 10^13 3 10^12	10^4 10^3 10^2	0.1 0.01	Изменение колебательных состояний молекулы
Оптический видимый	(4 - 7)* 10^-7	6 10^14	2 10^4		Переходы валентных электронов
Оптический УФ	10^-8	3 10^15	10^5		Переходы валентных электронов
Рентгеновский	10^-8 - 10^-10	3 10^18	10^8	10^4	Переходы внутренних электронов
Гамма-излучение	10^-10 - 10^-13	3 10^20	10^10	10^6	Ядерные реакции

Методы атомной спектроскопии позволяют определить элементный состав исследуемой пробы по спектрам поглощения или испускания света возбужденными атомами в оптическом или рентгеновском диапазоне. Пример - если солёный раствор внести в пламя газовой горелки, появится яркожёлтое окрашивание за счёт атомов натрия. Соли лития и рубидия дают яркокрасное окрашивание и т.д. Если разложить свет горелки призмой, получим несколько разноцветных линий, набор которых характерен для каждого вида атомов. Атомные спектры возникают в результате переходов электронов с одного энергетического уровня на другие (рис.2.1);

Таблица 2. Классификация спектроскопических методов по энергии кванта

Если электрон переходит с верхнего уровня на нижний, излучается квант, энергия которого равна разности энергий уровней, а частота излучения равна:

n = (E₂-E₁)/h

При обратном переходе квант поглощается с той же частотой. Число энергетических уровней в отдельных атомах невелико и поэтому их спектры состоят из ряда узких линий. Простейший спектр наблюдается у атома водорода, его линии разделяют на серии, называемые серией Лаймана в УФ-диапазоне, серией Бальмера в видимом диапазоне, сериями Пашена, Брэкета, Пфунда и Хэмфри в ИК-диапазоне. Частоты линий спектра водорода можно рассчитать, так как известны энергетические уровни водорода. У других элементов число спектральных линий больше, и каждый элемент характеризуется собственным набором линий. частоты которых приводятся в справочниках и атласах.

Если анализируемая проба содержит ряд элементов, спектр является наложением спектров присутствующих атомов. С помощью ЭВМ можно выделить наборы линий отдельных элементов, то-есть провести качественный анализ, а количественный анализ можно провести измерением интенсивностей линий различных атомов, так как интенсивности пропорциональны количествам присутствующих атомов.

Когда атомы объединяются в молекулу, образование химических связей изменяет энергетические уровни атомов. Это приводит к изменению частот поглощения и испускания атомов, что затрудняет их идентификацию. Поэтому для получения чисто атомных спектров необходимо предварительно перевести образец в газообразное атомарное состояние. Есть два вида атомного анализа.

Дата добавления: 2014-01-07