Атомная спектроскопия

В физике поглощаемого атомная спектроскопия — это исследование электромагнитного излучения, и испускаемого атомами . Поскольку уникальные элементы имеют уникальные спектры излучения , для определения элементного состава применяется атомная спектроскопия. Его можно разделить по источнику распыления или по типу используемой спектроскопии . В последнем случае основное разделение происходит между оптической и масс-спектрометрией . Масс-спектрометрия обычно дает значительно лучшие аналитические характеристики, но также значительно сложнее. Эта сложность приводит к более высоким затратам на приобретение, более высоким эксплуатационным расходам, большему обучению операторов и большему количеству компонентов, которые потенциально могут выйти из строя. Поскольку оптическая спектроскопия часто дешевле и имеет достаточные характеристики для многих задач, она гораздо более распространена. ^{[ нужна ссылка ]} Атомно- абсорбционные спектрометры являются одними из наиболее часто продаваемых и используемых аналитических устройств.

Атомная спектроскопия

Электроны существуют на энергетических уровнях (т.е. атомных орбиталях ) внутри атома. Атомные орбитали квантованы, то есть они существуют в виде определенных значений, а не непрерывны (см.: атомные орбитали ). Электроны могут перемещаться между орбиталями, но при этом они должны поглощать или излучать энергию, равную разнице энергий между конкретными квантованными орбитальными уровнями энергии их атома. В оптической спектроскопии энергия, поглощаемая для перемещения электрона на более высокий энергетический уровень (более высокую орбиталь), и/или энергия, излучаемая при движении электрона на более низкий энергетический уровень, поглощается или излучается в виде фотонов (световых частиц). Поскольку каждый элемент имеет уникальное количество электронов, атом будет поглощать/выпускать энергию по схеме, уникальной для его элементарной идентичности (например, Ca, Na и т. д.), и, таким образом, будет поглощать/испускать фотоны по соответственно уникальной схеме. Тип атомов, присутствующих в образце, или количество атомов, присутствующих в образце, можно определить путем измерения этих изменений длины волны света и интенсивности света.

Атомная спектроскопия далее делится на атомно-абсорбционную спектроскопию и атомно-эмиссионную спектроскопию . В атомно-абсорбционной спектроскопии свет заданной длины волны проходит через совокупность атомов. Если длина волны источника света имеет энергию, соответствующую разнице энергий между двумя уровнями энергии в атомах, часть света будет поглощена. Разница между интенсивностью света, излучаемого источником (например, лампой), и света, собранного детектором, дает значение поглощения. Это значение оптической плотности затем можно использовать для определения концентрации данного элемента (или атомов) в образце. Связь между концентрацией атомов, расстоянием, которое свет проходит через совокупность атомов, и долей поглощенного света определяется законом Бера-Ламберта . В атомно-эмиссионной спектроскопии интенсивность излучаемого света прямо пропорциональна концентрации атомов.

Источники ионов и атомов

Источники можно адаптировать разными способами, но в приведенных ниже списках даны общие сведения об использовании ряда источников. Из них пламя является наиболее распространенным из-за его дешевизны и простоты. Хотя индуктивно-связанная плазма значительно менее распространена, особенно при использовании с масс-спектрометрами, она известна своими выдающимися аналитическими характеристиками и универсальностью.

Для любой атомной спектроскопии образец необходимо испарить и распылить. Для атомной масс-спектрометрии образец также необходимо ионизировать. Испарение, распыление и ионизация часто, но не всегда, выполняются с помощью одного источника. Альтернативно, один источник может использоваться для испарения образца, а другой — для распыления (и, возможно, ионизации). Примером этого является лазерная абляция атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, где лазер используется для испарения твердого образца, а индуктивно-связанная плазма используется для распыления пара.

За исключением пламени и графитовых печей, которые чаще всего используются для атомно-абсорбционной спектроскопии, большинство источников используются для атомно-эмиссионной спектроскопии.

Источники отбора проб жидкости включают пламя и искры (источник атомов), индуктивно-связанную плазму (источник атомов и ионов), графитовую печь (источник атомов), микроволновую плазму (источник атомов и ионов) и плазму постоянного тока (источник атомов и ионов ). ). Источники отбора твердых проб включают лазеры (источник атомов и пара), тлеющий разряд (источник атомов и ионов), дугу (источник атомов и ионов), искру (источник атомов и ионов) и графитовую печь (источник атомов и пара). Источники отбора проб газа включают пламя (источник атомов), индуктивно-связанную плазму (источник атомов и ионов), микроволновую плазму (источник атомов и ионов), плазму постоянного тока (источник атомов и ионов) и тлеющий разряд (источник атомов и ионов). ).

Правила выбора

Для любого данного атома существуют квантовые числа , которые могут определить волновую функцию этого атома. На примере атома водорода необходимо четыре квантовых числа, чтобы полностью описать состояние системы. Квантовые числа, являющиеся собственными значениями операторов , коммутирующих с волновой функцией для описания физических аспектов системы, из-за этого называются «хорошими» числами. ^[1] Как только для данного атомного перехода найдены хорошие квантовые числа, правила отбора определяют, какие изменения квантовых чисел разрешены.

Электрический дипольный (E1) переход атома водорода можно описать квантовыми числами l (квантовое число орбитального углового момента), m _l (магнитное квантовое число), m _s (квантовое спиновое число электрона) и n (главное квантовое число). ). Оценивая влияние оператора электрического дипольного момента ц на волновую функцию системы, мы видим, что все значения собственного значения равны 0, за исключением случаев, когда изменения квантовых чисел следуют определенной закономерности.

$\langle \Psi _{nlm_{l}m_{s}}|\mu |\Psi _{n'l'm_{l}'m_{s}'}\rangle$

Например, при переходе E1, если только Δ l = ± 1, Δ m _l = 0 или ± 1, Δ m _s = 0 и Δ n = любое целое число, приведенное выше уравнение даст значение, равное нулю, и переход будет называть «запрещенным переходом». Например, это может произойти в определенных случаях, например, когда ∆ l = 2. В этом случае переход не будет разрешен и, следовательно, будет намного слабее, чем разрешенный переход. Эти конкретные значения изменений квантовых чисел известны как правила выбора для разрешенных переходов и показаны для распространенных переходов в таблице ниже:

Разрешенные переходные моменты
Ненулевой электрический диполь	Е1	Δ л = ± 1	Δ м _л = 0, ± 1	Δ м _с = 0	Δ n = любое целое число
Электрический квадруполь	Е2	Δ l = 0, ± 2	Δ м _л = 0, ± 1, ± 2	Δ м _с = 0	Δ n = любое целое число
Магнитный диполь	М1	Δ л = 0	Δ м _л = 0, ± 1	Δ м _с = 0	Δ п = 0

См. также

Ссылки

^ Макхейл, Джинн Л. (2017). Молекулярная спектроскопия (Второе изд.). Бока-Ратон, Лондон, Нью-Йорк: CRC Press, Taylor & Francisco Group. ISBN 9781466586581 .

Внешние ссылки

Перспективы аналитической атомной спектрометрии – тенденции в пяти основных разделах атомной спектрометрии (абсорбционная, эмиссионная, массовая, флуоресцентная и ионизационная спектрометрия)
Обучение посредством моделирования – различные спектры атомного поглощения и излучения
Атомная спектроскопия: сборник основных идей, обозначений, данных и формул

[1] Макхейл, Джинн Л. (2017). Молекулярная спектроскопия (Второе изд.). Бока-Ратон, Лондон, Нью-Йорк: CRC Press, Taylor & Francisco Group. ISBN 9781466586581 .

[1]