第6讲-原子发射光谱法PPT课件
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原子发射光谱分析法教学课件ppt
02
原子发射光谱分析法实验技术
实验设计
1 2
实验目的与要求
明确实验目的和要求，如元素定量分析和定性 分析。
实验原理
简述原子发射光谱分析法的原理，包括基本概 念、原子能级、跃迁等。
3
实验方案设计
根据实验目的和要求，制定实验方案，包括样 品制备、仪器设备与试剂选择、实验步骤等。
样品制备与测量
样品制备
干扰校正
对谱图中存在的干扰和重叠进行校 正，以提高元素识别的准确性和可 靠性。
结果分析与报告编写
数据统计
对实验数据进行统计、分析和 归纳，得出实验结果和结论。
结果评估
对实验结果进行评估，如准确 性、重复性、灵敏度等，以反 映实验结果的可靠性和有效性
。
报告编写
根据实验数据和分析结果编写 实验报告，包括实验目的、方
控制方法
针对不同的干扰因素，提出相应的控制方法，如光谱干扰校正、基体干扰校正等 。
实验数据的处理与解析
数据处理
介绍实验数据的处理过程，如数据平滑、背景扣 除、谱线识别等。
数据解析
根据实验数据，进行谱线识别和定量分析计算， 得出元素含量结果。
结果表示与评价
介绍实验结果表示方法，如谱线强度与元素含量 的关系、定量分析结果的误差与置信区间等。
定义
原子发射光谱分析法是一种基于原子在高温或放电条件下发 射出的光辐射进行元素分析的方法。
特点
具有分析速度快、准确度高、精密度好、选择性强、适用范 围广等优点。
发展历程
19世纪末和20世纪 初的初步探索阶段
20世纪50年代以后 的仪器和样品制备 技术的不断改进阶 段
20世纪20年代至50 年代的原子发射光 谱分析法的开创和 发展阶段
原子发射光讲义谱法课件
试样多数不需经过化学处理就可 分析，且固体、液体试样均可直接分析， 同时还可多元素同时测定，若用光电直 读光谱仪，则可在几分钟内同时作几十 个元素的定量测定。
3.选择性好
由于光谱的特征性强，所以对于一些 化学性质极相似的元素的分析具有特别重 要的意义。如铌和钽、铣和铪、十几种稀 土元素的分析用其他方法都很困难，而对 AES来说是毫无困难之举。
第一节 基本原理
一、原子发射光谱的产生
一般情况下，原子处于基态，通过电 致激发、热致激发或光致激发等激发光 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。
原子的外层电子由高能级向低能级跃 迁，能量以电磁辐射的形式发射出去，这 样就得到发射光谱。原子发射光谱是线状 光谱。
（2）跃迁几率 谱线强度与跃迁几率成正比。跃迁几率是 一个原子在单位时间内两个能级之间跃迁 的几率，可通过实验数据计算。
（3）激发电位
谱线强度与激发电位成负指数关系。在 温度一定时，激发电位越高，处于该能量 状态的原子数越少，谱线强度越小。激发 电位最低的共振线通常是强度最大的线。
（4）激发温度 温度升高，谱线强度增大。但温度升高，电离的
原子数目也会增多，而相应的原子数减少，致使原子 谱线强度减弱，离子的谱线强度增大
（5）基态原子数
谱线强度与基态原子数成正比。 在一定的条件下，基态原子数与试 样中该元素浓度成正比。因此，在 一定的条件下谱线强度与被测元素 浓度成正比，这是光谱定量分析的 依据。
浓度越大，
基态原子数N0也越大， 基态原子数N0大，
玻兹曼分布定律：
Ni = N0 gi/g0e (-E / kT) 式中Ni 为单位体积内处于激发态的原子数， N0 为单位体积内处于基态的原子数， gi，g0为激 发态和基态的统计权重，Ei为激发电位，k为玻 兹曼常数，T为激发温度。
3.选择性好
由于光谱的特征性强，所以对于一些 化学性质极相似的元素的分析具有特别重 要的意义。如铌和钽、铣和铪、十几种稀 土元素的分析用其他方法都很困难，而对 AES来说是毫无困难之举。
第一节 基本原理
一、原子发射光谱的产生
一般情况下，原子处于基态，通过电 致激发、热致激发或光致激发等激发光 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。
原子的外层电子由高能级向低能级跃 迁，能量以电磁辐射的形式发射出去，这 样就得到发射光谱。原子发射光谱是线状 光谱。
（2）跃迁几率 谱线强度与跃迁几率成正比。跃迁几率是 一个原子在单位时间内两个能级之间跃迁 的几率，可通过实验数据计算。
（3）激发电位
谱线强度与激发电位成负指数关系。在 温度一定时，激发电位越高，处于该能量 状态的原子数越少，谱线强度越小。激发 电位最低的共振线通常是强度最大的线。
（4）激发温度 温度升高，谱线强度增大。但温度升高，电离的
原子数目也会增多，而相应的原子数减少，致使原子 谱线强度减弱，离子的谱线强度增大
（5）基态原子数
谱线强度与基态原子数成正比。 在一定的条件下，基态原子数与试 样中该元素浓度成正比。因此，在 一定的条件下谱线强度与被测元素 浓度成正比，这是光谱定量分析的 依据。
浓度越大，
基态原子数N0也越大， 基态原子数N0大，
玻兹曼分布定律：
Ni = N0 gi/g0e (-E / kT) 式中Ni 为单位体积内处于激发态的原子数， N0 为单位体积内处于基态的原子数， gi，g0为激 发态和基态的统计权重，Ei为激发电位，k为玻 兹曼常数，T为激发温度。
《原子发射光谱》课件
不同的样品类型和测量方法对样品制备的要求也不同，因此需要根据实际情况选择 合适的样品制备方法。
样品溶解
样品溶解是原子发射光谱分析 中的重要环节，其目的是将待 测样品中的目标元素充分溶解
在合适的溶剂中。
常用的溶剂有酸、碱、盐等 ，根据待测元素和样品的性
质选择合适的溶剂。
在溶解过程中，需要控制温度 、压力、搅拌速度等条件，以 保证目标元素能够充分溶解在
归一化法
通过比较不同元素谱线强度的比例，消除基体效 应和物理干扰的影响。
Part
06
原子发射光谱的未来发展与挑 战
新技术应用
01
02
03
激光技术
利用激光的高能量和高精 度特性，提高原子发射光 谱的检测灵敏度和分辨率 。
微纳加工技术
将原子发射光谱仪器小型 化、集成化，便于携带和 移动检测。
人工智能技术
利用人工智能算法对原子 发射光谱数据进行处理和 解析，提高分析准确性和 效率。
仪器改进与优化
高性能探测器
研发更灵敏、更快速响应的探测器，提高光谱信号的采集和解析能 力。
高效能光源
优化光源的稳定性和寿命，提高光谱信号的强度和可靠性。
自动化与智能化
实现原子发射光谱仪器的自动化和智能化操作，降低人为误差和操作 复杂度。
高温条件下可实现元素的完全蒸发和激发 ，具有较高的灵敏度和准确度。
需要使用高温电热丝，设备成本较高，且 对某些元素的分析效果不佳。
火花/电弧原子发射光谱法
原理 通过电火花或电弧产生的高温使 待测元素激发为光谱状态，通过 测量光谱线的波长和强度，进行 定性和定量分析。
缺点 分析速度较慢，设备成本较高， 且对某些元素的分析效果不佳。
应用范围
样品溶解
样品溶解是原子发射光谱分析 中的重要环节，其目的是将待 测样品中的目标元素充分溶解
在合适的溶剂中。
常用的溶剂有酸、碱、盐等 ，根据待测元素和样品的性
质选择合适的溶剂。
在溶解过程中，需要控制温度 、压力、搅拌速度等条件，以 保证目标元素能够充分溶解在
归一化法
通过比较不同元素谱线强度的比例，消除基体效 应和物理干扰的影响。
Part
06
原子发射光谱的未来发展与挑 战
新技术应用
01
02
03
激光技术
利用激光的高能量和高精 度特性，提高原子发射光 谱的检测灵敏度和分辨率 。
微纳加工技术
将原子发射光谱仪器小型 化、集成化，便于携带和 移动检测。
人工智能技术
利用人工智能算法对原子 发射光谱数据进行处理和 解析，提高分析准确性和 效率。
仪器改进与优化
高性能探测器
研发更灵敏、更快速响应的探测器，提高光谱信号的采集和解析能 力。
高效能光源
优化光源的稳定性和寿命，提高光谱信号的强度和可靠性。
自动化与智能化
实现原子发射光谱仪器的自动化和智能化操作，降低人为误差和操作 复杂度。
高温条件下可实现元素的完全蒸发和激发 ，具有较高的灵敏度和准确度。
需要使用高温电热丝，设备成本较高，且 对某些元素的分析效果不佳。
火花/电弧原子发射光谱法
原理 通过电火花或电弧产生的高温使 待测元素激发为光谱状态，通过 测量光谱线的波长和强度，进行 定性和定量分析。
缺点 分析速度较慢，设备成本较高， 且对某些元素的分析效果不佳。
应用范围
《原子发射光谱》课件
地球化学填图
通过分析不同地区岩石、土壤和水 的元素组成，可以绘制地球化学图， 揭示地球的化学特征和矿产分布规 律。
古气候研究
通过分析古岩石中元素的含量变化， 可以推断古代气候的变化情况，为 地质历史研究提供重要依据。
在环境监测中的应用
大气污染物的测定
原子发射光谱法可以快速测定大气中的多种污染物元素，如铅、 汞、砷等，为环境治理和健康保护提供数据支持。
原子发射光谱法可用于炉渣和烟尘中 多种元素的测定，指导冶炼过程的优 化和环保治理。
合金鉴定
通过分析合金中各元素的特征谱线， 可以确定合金的种类和成分，为材料 研发和生产提供依据。
在地质学中的应用
岩石和矿物分析
原子发射光谱法可以对岩石和矿 物中的多种元素进行定性和定量 分析，有助于地质学研究和矿产
资源勘探。
高激发电位
提高激发电位可以增加原子激发的概率，从而提 高谱线强度。
高工作电流
提高工作电流可以增加原子发射的概率，从而提 高谱线强度。
优化光谱通带
优化光谱通带可以减少背景干扰，提高信噪比， 从而提高分析灵敏度。
提高分析准确度的方法
内标法
内标元素的选择应与待测元素性质相似，其在样品中的浓度应接近待测元素的 浓度。通过比较内标元素与待测元素的谱线强度，可以校正实验条件变化对分 析结果的影响，从而提高分析准确度。
连续光谱
由原子内电子在连续能级 间跃迁产生，覆盖较宽的 波长范围。
原子发射光谱与原子吸收光谱的比较
原子发射光谱
通过激发使原子释放光子，检测光子 波长和强度，用于元素定性定量分析 。
原子吸பைடு நூலகம்光谱
通过特定光源发射特定波长的光，使 原子吸收光子能量跃迁到激发态，再 回到基态时释放出特征光谱，用于元 素定性定量分析。
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使原子由低能级激发到高能级所需 要的能量叫作激发电位，常以电子伏特 为单位。原子发射光谱中的各条谱线都 有相应的激发电位，其数值均标示在元 素谱线表中。激发电位的高低反映了产 生该条谱线所需能量的大小。共振发射 线的激发电位叫作共振电位。第一共振 电位是元素最低的激发电位。
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原子发射光谱法具有许多优点：选择 性好，灵敏度高，分析速度快，能进行多 元素同时测定。
原子发射光谱法是一种成分分析方法， 可对约70种元素（金属元素及磷、硅、砷、 碳、硼等非金属元素）进行分析。这种方 法常用于定性、半定量和定量分析。
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第六章 原子发射光谱法
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第一节 原子光谱法概述
原子发射光谱法（AES）是根据待 测物质的气态原子或离子受激发后所发 射的特征光谱的波长及其强度来测定物 质中元素组成和含量的分析方法。
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二、谱线强度 在光谱一般的光源条件下， 蒸气云中带正电荷微粒与带负电荷微粒的密 度几乎相等，物质处于等离子状态，称之为 等离子体。
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在等离子体中物质不仅存在激发 平衡，还存在解离平衡和电离平衡， 分别用解离度（β）和电离度（α）来 表征分子的解离和原子电离的程度。 在等离子体工作条件下，分子一般可 以完全解离，即β1。这样任意能级 状态下的原子和离子的密度、与原子 总密度的关系如下：
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激发态
7 hc
非共振线
1 2 3 4 5 6 hc 1—6全是共振线
基态
1和4是主振线
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如果给予原子足够大的能量，则可使 原子发生电离。失去一个电子为一级电离， 失去两个电子为二级电离。元素电离所需 的最低能量称作该元素的电离电位，以电 子伏特为单位表示。离子能级跃迁所产生 的发射线称为离子线，每条离子线也都有 相应的激发电位。
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若激发是处于热力学平衡的状态 下，分配在各激发态和基态的原子数 目Ni 、N0 ，应遵循统计力学中玻尔兹 曼分布定律：
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Ni = gi /g0 N0 exp(-Ei / kT) （6-4） 式中Ni为单位体积内处于激发态的 原子数， N0为单位体积内处于基态的原
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发射光谱中往往既有原子谱线， 也有离子谱线，这两种谱线都可以 用于光谱分析。光谱谱线表中，以 元素符号后面的罗马数字区别原子 谱线和离子谱线。Ⅰ表示原子线， Ⅱ表示一级离子线，Ⅲ表示二级离 子线。
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一、原子发射光谱的产生
激发态
电能、热能
hv
基态
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hc hc
E2 E1 E 原子发射定性分析的依据：
原子发射光谱是由原子外层电子在 不同能级间的跃迁而产生的。不同的元 素其原子结构不同，原子的能级状态不 同，因此，原子发射谱线的波长也不同， 每种元素都有其特征光谱。
（一）谱线强度的表达式
设Ei、Ej两能级之间的跃迁所产生
的谱线强度Iij表示，则
Iij = NiAijEij
（6-2）
Iij = NiAijhij
（6-3）
式中Ni为单位体积内处于高能级i的原子
数，Aij为i、j两能级间的跃迁几率，Eij
为两能级的能量差。h为普朗克常数，
ij为发射谱线的频率。
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原子发射光谱法在地质、冶金、 机械、环境、材料、能源、生命及医 学等领域得到了广泛应用，成为现代 仪器分析中重要的方法之一。
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第二节 原子发射光谱法的基本原理
+
+分 —
+ —
—子 原子
+
—
离 +—子 +— 电子 +
—
近代物理学 中，把电离 度大于0.1%。 其正负电荷 相等的电离 气体称为等 离子体。
在光谱分析中，被测定物质在激发光源
中被蒸发、原子化、电离，基态原子或离子 被高速运动的各种粒子碰撞激发，这样物质 处于等离子状态。
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谱线的表示方法
Mg Ⅰ 285.213 nm Mg Ⅱ 279.553 nm Mg Ⅲ 182.897 nm
原子线 一级离子线 二级离子线
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原子谱线并不是单一波长的谱线，而 是具有一定的波长范围。谱线的强度随波 长的分布称为谱线轮廓（图4-1）。
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在一般情况下，用于1%以下含量的 组份测定，检出限可达ppm，精密度为 ±10%左右，线性范围约2个数量级。但 如采用电感耦合等离子体（ICP）作为光 源，则可使某些元素的检出限降低至10-3 ~ 10-4ppm，精密度达到±1%以下，线性范 围可延长至7个数量级。这种方法可有效 地用于测量高、中、低含量的元素。
子数， gi，g0为激发态和基态的统计权
重，Ei为激发电位，k为玻兹曼常数，T 为激发温度。
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如果以N表示被测定元素在等离 子体中的原子总密度，则任意激发态 原子的密度Ni与原子总密度有如下关 系：
Ni = gi/Z N exp(-Ei / kT) （6-5） 式中Z为原子所有不同状态的统计权 重和玻尔兹曼因子乘积的总和。
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使原子由低能级激发到高能级所需 要的能量叫作激发电位，常以电子伏特 为单位。原子发射光谱中的各条谱线都 有相应的激发电位，其数值均标示在元 素谱线表中。激发电位的高低反映了产 生该条谱线所需能量的大小。共振发射 线的激发电位叫作共振电位。第一共振 电位是元素最低的激发电位。
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原子发射光谱法具有许多优点：选择 性好，灵敏度高，分析速度快，能进行多 元素同时测定。
原子发射光谱法是一种成分分析方法， 可对约70种元素（金属元素及磷、硅、砷、 碳、硼等非金属元素）进行分析。这种方 法常用于定性、半定量和定量分析。
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第六章 原子发射光谱法
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第一节 原子光谱法概述
原子发射光谱法（AES）是根据待 测物质的气态原子或离子受激发后所发 射的特征光谱的波长及其强度来测定物 质中元素组成和含量的分析方法。
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二、谱线强度 在光谱一般的光源条件下， 蒸气云中带正电荷微粒与带负电荷微粒的密 度几乎相等，物质处于等离子状态，称之为 等离子体。
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在等离子体中物质不仅存在激发 平衡，还存在解离平衡和电离平衡， 分别用解离度（β）和电离度（α）来 表征分子的解离和原子电离的程度。 在等离子体工作条件下，分子一般可 以完全解离，即β1。这样任意能级 状态下的原子和离子的密度、与原子 总密度的关系如下：
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7 hc
非共振线
1 2 3 4 5 6 hc 1—6全是共振线
基态
1和4是主振线
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如果给予原子足够大的能量，则可使 原子发生电离。失去一个电子为一级电离， 失去两个电子为二级电离。元素电离所需 的最低能量称作该元素的电离电位，以电 子伏特为单位表示。离子能级跃迁所产生 的发射线称为离子线，每条离子线也都有 相应的激发电位。
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若激发是处于热力学平衡的状态 下，分配在各激发态和基态的原子数 目Ni 、N0 ，应遵循统计力学中玻尔兹 曼分布定律：
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Ni = gi /g0 N0 exp(-Ei / kT) （6-4） 式中Ni为单位体积内处于激发态的 原子数， N0为单位体积内处于基态的原
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发射光谱中往往既有原子谱线， 也有离子谱线，这两种谱线都可以 用于光谱分析。光谱谱线表中，以 元素符号后面的罗马数字区别原子 谱线和离子谱线。Ⅰ表示原子线， Ⅱ表示一级离子线，Ⅲ表示二级离 子线。
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一、原子发射光谱的产生
激发态
电能、热能
hv
基态
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hc hc
E2 E1 E 原子发射定性分析的依据：
原子发射光谱是由原子外层电子在 不同能级间的跃迁而产生的。不同的元 素其原子结构不同，原子的能级状态不 同，因此，原子发射谱线的波长也不同， 每种元素都有其特征光谱。
（一）谱线强度的表达式
设Ei、Ej两能级之间的跃迁所产生
的谱线强度Iij表示，则
Iij = NiAijEij
（6-2）
Iij = NiAijhij
（6-3）
式中Ni为单位体积内处于高能级i的原子
数，Aij为i、j两能级间的跃迁几率，Eij
为两能级的能量差。h为普朗克常数，
ij为发射谱线的频率。
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原子发射光谱法在地质、冶金、 机械、环境、材料、能源、生命及医 学等领域得到了广泛应用，成为现代 仪器分析中重要的方法之一。
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第二节 原子发射光谱法的基本原理
+
+分 —
+ —
—子 原子
+
—
离 +—子 +— 电子 +
—
近代物理学 中，把电离 度大于0.1%。 其正负电荷 相等的电离 气体称为等 离子体。
在光谱分析中，被测定物质在激发光源
中被蒸发、原子化、电离，基态原子或离子 被高速运动的各种粒子碰撞激发，这样物质 处于等离子状态。
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谱线的表示方法
Mg Ⅰ 285.213 nm Mg Ⅱ 279.553 nm Mg Ⅲ 182.897 nm
原子线 一级离子线 二级离子线
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原子谱线并不是单一波长的谱线，而 是具有一定的波长范围。谱线的强度随波 长的分布称为谱线轮廓（图4-1）。
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在一般情况下，用于1%以下含量的 组份测定，检出限可达ppm，精密度为 ±10%左右，线性范围约2个数量级。但 如采用电感耦合等离子体（ICP）作为光 源，则可使某些元素的检出限降低至10-3 ~ 10-4ppm，精密度达到±1%以下，线性范 围可延长至7个数量级。这种方法可有效 地用于测量高、中、低含量的元素。
子数， gi，g0为激发态和基态的统计权
重，Ei为激发电位，k为玻兹曼常数，T 为激发温度。
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如果以N表示被测定元素在等离 子体中的原子总密度，则任意激发态 原子的密度Ni与原子总密度有如下关 系：
Ni = gi/Z N exp(-Ei / kT) （6-5） 式中Z为原子所有不同状态的统计权 重和玻尔兹曼因子乘积的总和。