Теоретические основы метода атомно-абсорбционной спектрометрии

Модульная единица 2. Атомно-абсорбционная спектрометрия СЛАЙД 1

Цели и задачи изучения модульной единицы. В результате изучения данной модульной единицы студенты должны освоить теоретические основы метода атомно-абсорбционной спектроскопии, познакомиться с устройством и принципом действия атомно-абсорбционных спектрометров, знать возможности метода по определению содержания почти 70 элементов в сельскохозяйственных объектах и объектах окружающей среды.

1.1.1. Принцип метода.

Атомно-абсорбционная спектрометрия – метод количественного элементного анализа, основанный на измерении поглощения (абсорбции) невозбужденными атомами определяемого элемента, находящимися в состоянии атомного пара, характеристического излучения определяемого элемента.

В ходе анализа часть анализируемого образца переводится в состояние атомного пара. Сквозь этот пар пропускают излучение, характеристическое для определяемого элемента. Свободные невозбужденные атомы, находящиеся в атомном паре, поглощают часть квантов света пропускаемого излучения. Причем, чем больше концентрация атомов определяемого элемента в атомном паре, тем больше интенсивность поглощения. Измеряя интенсивность поглощения, можно определить содержание определяемого элемента в анализируемом образце.

Таким образом, аналитическим сигналом в методе атомно-абсорбционной спектрометрии служит интенсивность поглощения, т. е. уменьшение интенсивности излучения.

Зависимость интенсивности светового потока, прошедшего через атомный пар I, от концентрации поглощающих частиц пробы с выражается законом Бугера-Ламберта-Бера:

I =I ₀ ×

или, вводя, величину А, которая называется оптической плотностью:

А = lg = e_l lc

где I ₀ – интенсивность падающего излучения; e_l - коэффициент поглощения при длине волны l; l - длина оптического пути.

При контролируемых условиях атомизации концентрация поглощающих частиц в атомизаторе прямо пропорциональна концентрации определяемого элемента в анализируемом растворе, поэтому градуировочную кривую в методе атомно-абсорбционной спектрометрии можно строить непосредственно в координатах интенсивность поглощения – концентрация градуировочных растворов.

1.1.2. Атомизация анализируемого вещества.

Для получения атомного пара в методе атомно-абсорбционной спектрометрии используют пламена или электротермические атомизаторы СЛАЙД 2.

Пламя получают при помощи химической реакции между горючим газом и газом-окислителем. В качестве горючих газов чаще всего используют метан, пропан и ацетилен, а в качестве газов-окислителей – воздух, кислород, монооксид диазота N₂O. В результате экзотермической реакции между этими веществами выделяется большое количество энергии в виде теплоты сгорания. Пламена обычно горят при атмосферном давлении.

1.1.2. Поглощаемое излучение.

Атомные линии поглощения очень узкие (10^-3 – 10^-2 нм). Поэтому при облучении атомов немонохроматическим излучением, поглощается только очень небольшая часть квантов света, а большая часть светового потока проходит через атомный пар без изменений. Возникает технически очень сложная задача определения малой величины изменения светового потока. По этой причине в атомно-абсорбционной спектроскопии нельзя использовать источники излучения, дающие непрерывный спектр.

В атомно-абсорбционной спектрометрии используют источники излучения, дающие линейчатые спектры. Ширина линий в испускаемом спектре должна быть меньше, чем ширина линий в спектре поглощения атомов определяемого элемента.

Ширина линий в атомном спектре зависит от следующих факторов:

1) естественного уширения, которое составляет примерно 10^-5 нм и объясняется соотношением неопределенностей Гейзенберга;

2) допплеровского уширения, которое примерно в 100 раз больше, чем естественное. Причиной этого уширения слушит эффект Допплера, который в применении к атомно-абсорбционной спектрометрии заключается в том, что атомы, движущиеся в направлении распространения излучения, поглощают при более низких частотах, а движущиеся навстречу излучению поглощают при более низких частотах. Допплеровское уширение Dl зависит от температуры Т, длины волны излучения l и массы атома m:

Dl = (1-1)

3) лоренцевское уширение, которое на два-три порядка больше естественного уширения. Причиной этого уширения являются столкновения атомов с другими атомами или ионами. Число столкновений зависит от давления: чем выше давление, тем больше вероятность столкновения. В результате столкновений происходит уширение спектральных линий вследствие расщепления энергетических уровней атомов.

1.1.3. Поглощение квантов света свободными атомами.

В соответствии с законом Больцмана СЛАЙД 3

N_k = N (1-2)

где N_k – число атомов в возбужденном состоянии; N – общее число атомов в плазме; g_k и g ₀ - статистические веса возбужденного и нормального состояний; Е _k – энергия возбуждения k -го уровня, k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, даже при высоких температурах (вплоть до 5000 К) подавляющая часть свободных атомов находится в основном состоянии.

Поглощая квант света с энергией h n, свободный атом А переходит из основного состояния в возбужденное состояние А^*:

А + h n ® А^*

Обычно осуществляется переход из основного состояния на уровень, ближайший к основному состоянию. Такой переход называют резонансным. Если на невозбужденные атомы воздействует излучение с частотой n, равной частоте резонансного перехода для атомов данного элемента, то такое излучение эффективно поглощается атомами и его интенсивность уменьшается.

Возбужденное состояние свободных атомов неустойчиво. Они быстро возвращаются в основное состояние, испуская кванты света. Если частота испускаемого атомами излучения равна частоте поглощенного излучения, то такой процесс называют резонансной флуоресценцией.

В атомно-абсорбционной спектрометрии используют переходы атомов из основного состояния на энергетический уровень, ближайший к основному, т.е. резонансный переход.

Дата добавления: 2014-01-07