第04章 原子发射光谱法

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(经验式)。自吸常数 b 随浓度c增加而减小,当浓度很小 ,自吸消失时,b=1。
(2) 内标法基本关系式 影响谱线强度因素较多,直接测定谱线绝对强度计算难以 获得准确结果,实际工作多采用内标法(相对强度法)。
在被测元素的光谱中选择一条作为分析线(强度I),再选
择内标物的一条谱线作为内标线(强度 I0),组成分析线对。 则: 相对强度R:
3. 高压火花
(1)交流电压经变压器T后,产生10~25kV的高压,然后 通过扼流圈D向电容器C充电,达到G的击穿电压时,通过电 感L向G放电,产生振荡性的火花放电; (2)转动续断器M,2, 3为钨
电极,每转动180度,对接一次,
转动频率(50转/s),接通100次/s, 保证每半周电流最大值瞬间放电 一次;
2-3-3 特点与应用
1. 特点 (1)可多元素同时检测 各元素同时发射各自的特征光谱; (2)分析速度快 试样不需处理,同时对十几种元素进行定量 分析(光电直读仪);
(3)选择性高 各元素具有不同的特征光谱;
(4)检出限较低 10~0.1gg-1(一般光源);ngg-1(ICP) (5)准确度较高 5%~10% (一般光源); <1% (ICP) ; (6)ICP-AES性能优越 线性范围4~6数量级,可测高、中、 低不同含量试样; 缺点:非金属元素不能检测或灵敏度低。
2.原子发射光谱分析法的应用 原子发射光谱分析在鉴定金属元素方面(定性分析)具
有较大的优越性,不需分离、多元素同时测定、灵敏、快捷
,可鉴定周期表中约70多种元素,长期在钢铁工业(炉前快
速分析)、地矿等方面发挥重要作用;
在定量分析方面,原子吸收分析有着优越性;
AES):元素在受到热或电激发时,外层电子由基态跃迁到
激发态,返回到基态时,以光的形式放出多余的能量,发射 出特征光谱,依据特征光谱进行定性、定量的分析方法。 这种方法可对约70多种元素(包括金属元素及磷、硅、 砷、碳、硼等非金属元素)进行定性、半定量及定量分析。
2-1-2 原子发射光谱的产生
在正常状态下,元素处于基态,元素在受到热(火焰) 或电(电火花)激发时,外层电子由基态跃迁到激发态,返 回到基态时,发射出特征光谱(线状光谱); 热能、电能 基态元素M
分析化学(仪器分析部分)
第四章 原子发射光谱法
目 录
2-1 原子发射光谱分析基本原理
2-1-1 概述 2-1-2 原子发射光谱的产生 2-1-3 谱线强度 2-1-4 谱线自吸与自蚀
2-2 原子发射光谱分析装置与仪器 2-3 定性、定量分析方法
2-1-1 概述
原子发射光谱分析法(atomic emission spectroscopy ,
I a cb
b I 0 a0 c00
I a cb R A cb b I 0 a0 c00 lg R b lg c lg A
A为其他三项合并后的常数项,内标法定量的基本关系式。
பைடு நூலகம்
内标元素与分析线对的选择: a. 内标元素可以选择基体元素,或另外加入,含量必须适量 和固定; b. 内标元素与待测元素在光源作用下具有相近的蒸发特性; c. 分析线对应匹配,同为原子线或离子线,且激发电位相近( 谱线靠近),“匀称线对”; d. 强度相差不大,无相邻谱线干扰,无自吸或自吸小。
E = E2 – E1 = hc/ = h
发射光谱波长为:
= hc/(E2-E1)
Na 能级图
由各种高能级跃迁到同
一低能级时发射的一系列光
谱线;
重要的基本术语:
激发电位: (以电子伏特eV表示) 原子的外层电子由低能级激发到高能级时所需要的能量称为 激发电位,原子的光谱线各有其激发电位。
ICP-AES 特点
(1) 温度高,惰性气氛,原子化条件好,有利于难熔化合物
的分解和元素激发,有很高的灵敏度和稳定性;
(2)“趋肤效应”,涡电流在外表面处密度大,使表面温度 高,轴心温度低,中心通道进样对等离子的稳定性影响小。 也有效消除自吸现象,线性范围宽(4~5个数量级); (3) ICP中电子密度大,碱金属电离造成的影响小; (4) Ar气体产生的背景干扰小; (5) 无电极放电,无电极污染; ICP焰炬外型像火焰,但不是化学燃烧火焰,气体放电; 缺点:对非金属测定的灵敏度低,仪器昂贵,操作费用高。
自吸和自蚀影响谱线强度,在光谱定量分析中需注意。
目 录
2-1 原子发射光谱分析基本原理 2-2 原子发射光谱分析装置与仪器
2-2-1 仪器组成 2-2-2 光源 2-2-3 分光元件 2-2-4 检测器
2-3 定性、定量分析方法
2-2-1 仪器组成
原子发射光谱仪通常由三部分构成: 光源、分光仪、检测器;
离子外层电子跃迁时发射的谱线称为离子线。每条离子线 都有相应的激发电位。这些离子线激发电位的大小与电离 电位的高低无关。
原子谱线表:I 表示原子发射的谱线; II 表示一次电离离子发射的谱线 III表示二次电离离子发射的谱线; Mg:I 285.21 nm ;II 280.27 nm; 原子或离子的外层电子数相同时,具有相似的光谱,如 Na I、Mg II、Al III的光谱很相似。
对比
2-2-3 分光元件
棱镜和光栅
2-2-4 检测器
将原子发射出的辐射分光后观察其光谱的仪器。
按接受光谱方式分:看谱法、摄谱法、光电法;
光电倍增管
目 录
2-1 原子发射光谱分析基本原理 2-2 原子发射光谱分析装置与仪器
2-3 定性、定量分析方法
2-3-1 光谱定性分析 2-3-2 光谱定量分析 2-3-3 特点与应用
2-2-2 光源
作用:使试样蒸发、解离、原子化和激发、跃迁产生光辐射。
1. 直流电弧 直流电作为激发能源,电压150 ~380V,电流5~ 30A;
两支石墨电极,试样放置在一支电极(下电极)的凹槽内;
使分析间隙的两电极接触或用导体接触两电极,通电,电 极尖端被烧热,点燃电弧。
电弧点燃后,热电子流高速通过分析间隔冲击阳极,产 生高热,试样蒸发并原子化,电子与原子碰撞电离出正离子 冲向阴极。电子、原子、离子间的相互碰撞,使原子跃迁到 激发态,返回基态时发射出该原子的光谱。
弧焰温度:4000~7000 K 可使约70多种元素激发;
特点:绝对灵敏度高,背景小,适合定性分析; 缺点: 弧光不稳,再现性差; 不适合定量分析。
2. 低压交流电弧
工作电压:110~220 V。 采用高频引燃装置点燃电弧,在每一交流半周时引燃一 次,保持电弧不灭; 特点:温度稍低,电弧较稳定。常用于金属、 合金中低含量元素分析。
E
特征辐射
激发态M*
在通常的情况下,原子处于能量最低的基态。当基态原子 受热、电的激发而吸收足够的能量后,其外层电子就从低能级 跃迁到较高能级上,此时原子的状态称为激发态。激发态原子 是不稳定的,其平均寿命约为10-8 s, 即使没有外因的诱导, 也会自发地跃回到低能态,并以光的形式放出多余的能量,从 而产生原子发射光谱。
2-3-2 光谱定量分析
(1) 发射光谱定量分析的基本关系式 在条件一定时,谱线强度I 与待测元素含量c关系为: I=ac a为常数(与蒸发、激发过程等有关),考虑到发射光谱中
存在着自吸现象,需要引入自吸常数 b ,则:
I a cb lg I b lg c lg a
发射光谱定量分析的基本关系式,称为塞伯-罗马金公式
gi Ni N0 e g0
玻耳兹曼常数;T为激发温度;

Ei kT
gi 、g0为激发态与基态的统计权重; Ei 为激发电位;k为 h为Plank常数;Aij两个能级间的跃迁几率; ij发射谱线 的频率。将Ni代入上式,得:
gi I ij Aij h ij N 0 g0
或几条谱线最强的线,即灵敏线。最后线也是最灵敏线;
共振线:由第一激发态回到基态所产生的谱线;通常也是最 灵敏线、最后线;
2. 定性方法 (1)标准试样光谱比较法: 如:防晒霜(TiO2)中Pb的测定 特点:简单,但只适用于试样中指定组分的定性鉴定。
(2)铁谱比较法: 以铁谱作为标准(波长标尺); 为什么选铁谱? (1)谱线多:在210~660nm范围内有4600条谱线; (2)谱线间距离分配均匀:容易对比,适用面广; (3)定位准确:已准确测量了铁谱每一条谱线的波长。
将试样粉碎后放在电极的试样槽内;
b. 固体试样研磨成均匀的粉末后放在电极的试样槽内; c. 糊状试样先蒸干,残渣研磨成均匀的粉末后放在电极的 试样槽内。液体试样可采用ICP-AES直接进行分析。 (2) 实验条件选择 a. 光谱仪 在定性分析中通常选择灵敏度高的直流电弧;狭缝宽度5~ 7m;分析稀土元素时,由于其谱线复杂,要选择色散率较 高的大型摄谱仪。
2-3-1 光谱定性分析
定性依据:元素不同→原子结构不同→光谱不同→特征光谱 1. 元素的分析线、最后线、灵敏线 分析线:复杂元素的谱线可能多至数千条,只选择其中几条 特征谱线检验,称其为分析线; 最后线:浓度逐渐减小,谱线强度减小,最后消失的谱线; 灵敏线:最易激发的能级所产生的谱线,每种元素都有一条
当高频发生器接通电源后,高频 电流I通过感应线圈产生交变磁场(绿色 )。 开始时,管内为Ar气,不导电, 需要用高压电火花触发,使气体电离 后,在高频交流电场的作用下,带电 粒子高速运动,碰撞,形成“雪崩” 式放电,产生等离子体气流。在垂直 于磁场方向将产生感应电流(涡电流 ,粉色),其电阻很小,电流很大(数 百安),产生高温。又将气体加热、电 离,在管口形成稳定的等离子体焰炬 ( 10,000k )。
共振线:具有最低激发电位的谱线称为共振线,通常是由基 态与最低能量激发态之间的跃迁所产生的。由于其激发电位 最低,共振线往往是元素光谱中最强的谱线。这个最低的激 发电位称为共振电位。
原子的外层电子在获得足够的能量(电离能)后,产生电离。
使原子电离所需要的最低能量称为电离电位。失去一个电子, 称为一次电离,再失去一个电子,称为二次电离。
高压火花的特点:
(1)放电瞬间能量很大,产生的温度高,激发能力强, 某些难激发元素可被激发,且多为离子线; (2)放电间隔长,使得电极温度低,蒸发能力稍低,适 于低熔点金属与合金的分析;
(3)稳定性好,重现性好,适用定量分析;
缺点: (1)灵敏度较差,但可做较高含量 的分析; (2)噪音较大;
4. 电感耦合等离子体(ICP)光源
影响谱线强度的因素:
(1)激发电位越低,谱线强度越强;
Ei e kT
(2)跃迁概率;
(3)统计权重;
(4)激发温度升高,谱线强度增大,但易
电离。
(5)基态原子数。(光谱定量分析基础)
2-1-4 谱线的自吸与自蚀
发射光谱分析全过程:试样物质在光源作用下蒸发为 气态 原子化 激发 跃回基态 辐 射出谱线 谱线穿过弧层 记录得到光谱
等离子体:在试样物质蒸发时,由于运动粒子的相互
碰撞和激发,使气体中产生大量的分子、原子、离子、电 子等粒子。这种电离的气体在宏观上是电中性的,称为等
离子体。
自吸:中心发射的辐射被边缘的同种基态原子吸收,
使辐射强度降低的现象。
自吸现象:
I = I0 e -ab
元素浓度低时,不出现自吸。随 浓度增加,自吸越严重,当达到一定 值时,谱线中心完全吸收,如同出现 两条线,这种现象称为自蚀。 谱线表,r:自吸;R:自蚀;
Na 能级图
由各种高能级跃迁到同
一低能级时发射的一系列光
谱线;
K 元素的能级图
2-1-3 谱线强度
原子由某一激发态 i 向低能级 j 跃迁,所发射的谱线强度 与激发态原子数成正比。 发射谱线强度: Iij = Ni Aijhij 在热力学平衡时,单位体积的基态原子数N0与激发态原
子数Ni的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律:
元素标准光谱图
谱线检查:将试样与纯铁在完全相同条件下摄谱,将两谱 片在映谱器(放大器)上对齐、放大20倍,检查待测元素的 分析线是否存在,并与标准谱图对比确定。可同时进行多 元素测定。 特点:可测定复杂组分及进行光谱的定性全分析。
3. 定性分析实验操作技术
(1) 试样处理 a. 金属或合金可以试样本身作为电极,当试样量很少时,
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