原子光譜分析的理論和特點分析

朱林婕+王周琴

摘要：原子光譜分析是測量物質化學成分及其含量的一種重要方法。本文從原子物理的基本概念出發(fā)，分析了原子的發(fā)射光譜和吸收光譜，并對原子光譜分析的特點進行了總結。這一研究對原子光譜分析的實際應用具有參考價值。

關鍵詞：原子光譜；發(fā)射光譜；吸收光譜

一、引言

光譜學是光學的一個分支學科，其主要研究各種物質的光譜的產生及其同物質之間的相互作用。光譜就是電磁波的波長及強度分布情況的記錄，有的光譜可能只有波長分布的情況。按照光譜的形狀來區(qū)分，光譜可以分為三種：線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。根據玻爾理論，原子發(fā)射的光譜就是線狀光譜，這種光譜的譜線是分明的，波長的數值有一定的間隔。光譜根據產生原理不同，可分為吸收光譜和發(fā)射光譜兩種。直接記錄由光源發(fā)射出的光線的光譜稱為發(fā)射光譜。而吸收光譜的觀測方法則與發(fā)射光譜不同，先把物質的一部分放在連續(xù)光譜的下面，使連續(xù)光譜先通過物質再進入光譜儀。這時候連續(xù)光譜中的一部分譜線會被物質吸收，光譜透過之后就會發(fā)現，原本連續(xù)的光譜會有一些譜線消失，這些消失的譜線就是物質的吸收光譜。

通過光譜的研究，人們可以得到原子的能級結構、能級壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學鍵的性質等多方面的物質結構知識。但是，光譜學技術并不僅是一種科學工具，在化學分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法。根據物質的發(fā)射光譜或吸收光譜區(qū)別物質以及確定化學成分和各組成成分相對含量的方法稱為光譜分析。而只依靠原子的特征發(fā)射光譜來研究鑒別物質的結構及各個組成成分的相對含量的方法則稱為原子發(fā)射光譜分析。

二、原子的發(fā)射光譜和吸收光譜

由玻爾理論可知，原子內部的能級是處于分離狀態(tài)的。原子中的電子在能級之間躍遷只有通過吸收或發(fā)送一定量的能量才能完成。如果給原子或離子一定能量的作用，原子的外層電子將會獲得這部分能量，并從較低的能級躍遷到較高能級，這時候原子將會處在一個激發(fā)的狀態(tài)，稱為吸收光譜。但是這個狀態(tài)是不穩(wěn)定的，經過一段時間會釋放能量，重新回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，稱為發(fā)射光譜。原子或離子獲得的能量稱作激發(fā)能或者激發(fā)電位，單位是電子伏特eV或cm-1。處在高能級上的電子是不穩(wěn)定的，在較短的時間內會重新躍遷到原來的能級或其他較低能級，在躍遷的過程中會發(fā)射出一定波長的光，在光譜中產生一條譜線，波長或者頻譜和能級差滿足玻爾能級躍遷公式。同原子發(fā)射光譜一樣，原子的外層電子要想由較低的能級躍遷到較高能級，則需要吸收一定的能量，因此吸收一定波長的光，在光譜中將會消失一條譜線，波長同發(fā)射光譜的波長公式相同。

三、原子光譜分析的理論和特點

根據操作的過程可以將原子發(fā)射光譜分析大致分成三個步驟，分別是激發(fā)、分光和檢測。第一步是使用激發(fā)光源使樣品蒸發(fā)汽化，解離或分離為原子狀態(tài)，然后繼續(xù)電離原子使之電離為離子狀態(tài)，樣品電離成離子狀態(tài)后可以在光源的激發(fā)下發(fā)光。第二步是利用光譜儀記錄樣品發(fā)射出的光譜。最后一步是利用光學器件檢測光譜，按照記錄的光譜波長對樣品進行定性分析，或者按照發(fā)射光譜的強度進行定性分析。

光譜分析在實際生產應用中的巨大作用，與其自身的特點有著密切的關系。

1.分析速度快

在鑄鐵時使用原子發(fā)射光譜分析，能在極短的時間內同時得到幾十種元素的分析結果。

2.操作簡單

通常情況下，樣品可以不經過化學方法處理，直接對其使用光譜分析，再與計算機技術相結合，最后只要簡單地使用計算機，就能自動地進行分析、數據處理和打印處理結果。在氣體檢測中，不需要采集樣品，并且能夠在極短的時間內得到結果從而判斷大氣質量的情況。

3.不必得到純凈的樣品

只要利用已經得知的譜線圖就能進行光譜分析，從而減少對樣品的處理時間，這是光譜分析突出的優(yōu)點。

4.可以同時檢測多種元素

光譜分析不像其他分析，需要將樣品進行分離才能分析，因此可以省去分離操作這個復雜的程序，并能夠同時檢測多種元素。

5.有極好的選擇性

對于那些化學組成及化學性質相似的元素和物質，如硅、碳等同族元素，它們的譜線是相互獨立且互不影響的，因此光譜分析是分析這些元素十分有效的方法。

6.極高的靈敏度

最新的數據表明，光譜分析的相對靈敏度最高可以達到十億分之一，絕對靈敏度最高也可以達10-9g。

7.對樣品損壞小

因為光譜分析對樣品幾乎沒有損害，因此在古物檢測或是刑事偵查等方面有著舉足輕重的作用。

然而光譜分析也有一些不足之處，如必須有一套精確的數據作為基本標準，并且要求被分析樣品的結構及成分和標準樣品大致相同才可以，這樣往往使得光譜分析的應用變得比較困難。

參考文獻：

[1]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]辛仁軒.等離子體發(fā)射光譜分析[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3]鄧勃.原子吸收光譜分析的原理、技術和應用[M].北京：清華大學出版社，2004.endprint