原子吸收课件-生工食品.ppt
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1、第8章 原子吸收光谱法,8.1 概述,原子吸收光谱分析是基于物质所产生的原子蒸气对特定谱线(待测元素的特征谱线)的吸收作用来进行定量分析的方法。它是基于物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法。,特 点,溶液中的金属离子化合物在高温下能够解离成原子蒸气,两种形态间存在定量关系。当光源发射出的特征波长光辐射通过原子蒸气时,原子中的外层电子吸收能量,特征谱线的光强度减弱。光强度的变化符合朗伯-比耳定律,进行定量分析。,发展历史,18世纪初,对原子吸收光谱-太阳连续光谱中的暗线进行观察和研究。1955年,原子吸收光谱法作为一种分析方法被研究。澳大利亚物理学家瓦尔西发表论文“原
2、子吸收光谱在化学分析中的应用”,而奠定原子吸收光谱法的理论基础。20世纪60年代,方法发展迅速并得到普及。,分析过程,目标:测定试液中的镁离子的含量。过程:先将试液喷射成雾状进入燃烧火焰中,含镁盐的雾滴在火焰温度下,挥发并解离,生成镁原子的蒸气。再用镁空心阴极灯作为光源,辐射出镁的特征谱线的光,这束光透过一定厚度的镁蒸气时,部分光被镁蒸气吸收。通过单色器和检测器检测这束光被削弱的程度,即可求出镁的含量。,优 势,专一性:空心阴极灯只发出所需要的特征波长的辐射线,不发射邻近波长的辐射线,因此干扰小。高灵敏度:原子吸收过程中,所测定的是大部分的原子。,1.共振线与吸收线,每种原子的核外电子能级分布
3、不同,当产生由基态第一激发态的跃迁时,吸收特定频率的辐射能量。原子吸收光谱是线状光谱。,1.原子在两个能态之间的跃迁伴随着能量的吸收和发射。,2.原子可具有多种能级状态。原子受外界能量激发时,可跃迁到不同能级,因此具有不同激发态。,3.原子由基态第一激发态的跃迁,最易发生。,原子的外层电子从基态跃迁到能量最低的激发态时要吸收一定频率的光,当它再跃迁回基态时,则发射出同样频率的光(谱线),这种谱线称为共振吸收线。,8.2 基本原理,特点,共振线是元素的特征谱线。各种元素的原子结构和外层电子排布不同,不同元素的原子从基态激发至第一激发态时,吸收的能量不同,因此各种元素的共振线不同。共振线是元素的灵
4、敏线。从基态到第一激发态间的直接跃迁最容易发生。,原子吸收分析的根据,吸收线(原子群从基态跃迁到激发态所吸收的谱线)并不是绝对单色的几何线,而是具有一定宽度,称之为谱线轮廓。,2.谱线轮廓与谱线变宽,谱线轮廓:,原子吸收共振线 后光的强度(不同频率的光通过原子蒸气后有一部分光被吸收,透过的光的强度)与原子蒸气的宽度(火焰的宽度)有关。当原子蒸气中原子密度一定,则透过光的强度与原子蒸气宽度呈正比朗比伯尔定律:,为透过光的强度;L为原子蒸气的宽度,为原子蒸气对频率为v的光的吸收系数。,由于物质的原子对光的吸收具有选择性,所以 随着光源的辐射频率而改变。即对不同频率的光,原子的吸收程度不同,因此 随
5、光的频率变化。,在频率Vo处透过的光最少,即吸收最大,称为原子蒸气在特征频率处的吸收线。,以吸收系数等于极大值的一半处吸收线轮廓上两点间的距离来表征吸收线的宽度吸收线的半宽度Vo,原子吸收光谱线轮廓图,谱线半宽度(10-2),谱线中心频率,最大吸收系数,0,Kv,K0,K0/2,表征吸收线轮廓特征的是中心频率和半宽度。中心频率有原子的能及分布特征决定半宽度除去自身宽度外还有多种影响因素。,变宽的因素,谱线变宽,1.自然宽度2.多普勒变宽3.压力变宽4.自吸变宽5.场致变宽,1.自然宽度N,谱线自身具有一定宽度,不同谱线有不同的自然宽度。与原子外层电子发生能级间跃迁时激发态原子的寿命有关,是客观
6、存在。一般情况下约相当于10-5,通常可以忽略。,2.多普勤宽度 D(Doppler Broadening),这是由原子在空间作无规热运动所引致的。故又称热变宽。,多普勒效应:一个运动着的原子发出的光,当运动方向离开观测者,则表现为其频率比其静止时所发出的光的频率低;反之,原子向观测者方向运动,其频率比静止原子发出的光的频率高。,式中:M-原子量;T-绝对温度;0-谱线中心频率,即使在较低的温度,也比自然宽度N来得严重,是谱线变宽的主要因素.一般情况:D=10-2.,原子吸收分析中,气体中的原子是处于无规则热运动中,仪器检测方向上具有不同的运动速度分量,这种运动着的发光粒子的多普勒效应,使检测
7、器接受到很多频率稍有不同的光,于是发生谱线变宽。,以上说的频率分布和气体中原子热运动的速率分布相同,具有近似的高斯曲线分布。多普勒变宽可由公式决定:,3.压力变宽(碰撞变宽),原子与等离子体中的其他粒子(原子、离子、电子)相互碰撞而使谱线变宽,等离子体蒸气压力愈大,谱线愈宽。,异种粒子碰撞称罗论兹(Lorentz)变宽。压力变宽的主要原因。导致谱线轮廓变宽、漂移和不对称。同种粒子碰撞称赫尔兹马克(Holtzmank)变宽或共振变宽。共振变宽在被测元素浓度较高时才有影响。,压力变宽(碰撞变宽)为10-2。,5.场致变宽,斯塔克变宽(Stark Broadening):由于外部的电场或等离子体 中
8、离子、电子所形成的电场引起。,多普勤宽度D和压力变宽(碰撞变宽)是谱线变宽的主要因素。,齐曼变宽(Zeeman Broadening):由于外部的磁场影响,导致谱线的分裂,在单色器分辨率无法分辨时,也产生谱线变宽。,4.自吸变宽,当基态、气态原子密度较大时产生。,多普勤宽度和压力变宽(碰撞变宽)是谱线变 宽的主要因素。,积分吸收和峰值关系,通常的分光光度法使用的是连续光源。,右图是连续光源经单色器和狭缝后分离所得的入射光的谱带。在进行原子吸收分光分析时,将狭缝调至最小值(0.1nm),其光普通带约为0.2nm。原子的吸收线半宽度为10-3nm。,若以具有宽通带的光源来对窄的吸收线进行测量,待测
9、原子吸收线引起的吸收值仅为总入射光强度的0.5%。吸收的光的强度只占入射光强度的极小部分,致使灵敏度极差。,一.积分吸收,f-振子强度e-为电子电荷N-单位积内的自由原子数m-电子的质量,积 分 公 式,在原子吸收分析中将原子蒸气所吸收的全部能量称为积分吸收。,积分吸收与单位体积原子蒸气中吸收辐射的原子数呈简单线性关系。与频率无关,与产生吸收线轮廓的物理条件和方法无关。,由于原子吸收线的半宽度很小,要精确测量其积分吸收值,对光栅、单色器和检测器的要求很高,目前无法做到。,只需测得积分吸收值,就可以计算出待测元素的原子密度。,1.平面衍射光栅分辨率R,式中:是相邻两谱线的平均波长;是相邻两谱线的
10、波长差;k 是光谱的级次;N 是光栅的刻线数。,在5000的波长,要积分半宽度为0.01的谱线,至少要取10点,每点为0.001。根据分辨率公式,可以计算光栅所需的分辨率R 和光栅常数d。,目前,光栅常数d 无法达到此要求。,2.单色器的光谱通带,光谱通带W:W=DS,当光谱通带:W=0.001,S=0.007(mm),式中:S-缝宽度(mm)D-倒线色散率(nm/mm),倒线色散率:D=S/W=0.001 10-6nm/0.007(mm)=1.4 10-7(nm/mm),目前,倒线色散率D也无法达到此要求。,3.检测器的灵敏度,即使光栅常数d、光谱通带W、倒线色散率D都达到此要求,还要考虑到
11、检测器的灵敏度;在以上条件下检测器的灵敏度也无法达到要求。,综合以上讨论:如果我们测量Kvd,就可求出原子浓度N,但是谱线宽度为10-2左右。需要用高分辨率的分光仪器,高灵敏度的检测器这是目前难以达到的。这就是早在100多年前就已发现原子吸收的现象,但一直难以使用于分析科学的原因。,2.使用锐线光源测量谱线峰值吸收。锐线光源:光源发射线的中心频率与吸收线的中心频率一致,而且发射线的半宽度比吸收线的半宽度小得多时,则发射线光源叫做锐线光源。“光源发射线的中心频率与吸收线的中心频率一致”:是为了实现峰值吸收的测量。在实际使用中使用一个与待测元素同种元素制成的锐线光源。例如:测镁时,使用镁空心阴极灯
12、作光源。,峰值吸收,1.积分吸收与峰值吸收的关系:1955年澳大利亚学者沃尔森(Walsh)提出,在温度不太高的稳定火焰条件下,峰值吸收系数与火焰中被测元素的原子浓度也正比。,3.使用锐线光源进行吸收测量:在使用锐线光源的条件下原子蒸气的吸光度与峰值吸收有如下关系:A=lgI0/I=0.4343K0L式中A为中心频率处的吸光度;L为原子蒸气的厚度;,A=lgI0/I=0.4343K0L,由此式可知,只要测定吸光度并固定L,就可求得K0,而K0与原子蒸气中原子的浓度成正比。并且在稳定的测定条件下,被测定试液中待测元素的浓度与原子蒸气中的原子浓度也成正比。,基态原子数与原子吸收定量基础,广泛的使用
13、的火焰原子化方法,常用温度为3000K。此时大部分化合物解离成原子状态。被解离的原子中部分会被激发。一定温度下,基态原子和被激发原子数有一定比值。比值和温度相关。其关系可用波尔兹曼方程表示。,和 分别为单位体积内激发态和基态的原子数。和 分别为激发态和基态能级的统计权重。k为波尔兹曼常数,T是热力学温度。,由于电子是从基态跃迁到第一激发态,可得:,可见,温度越高,电子跃迁能级 越小,越大。常用的火焰温度低于3000K,大多数共振线波长小于600nm,因此 都很小(1%)。说明火焰中激发态原子数远小于基态原子数。可用基态原子数 代表吸收辐射的原子总数。,实际分析中,要获得待测物质的浓度。此浓度与
14、待测元素吸收辐射的原子总数成正比。吸光度与浓度呈正比关系。,可简单的用下式表示:A=kC K包含了所有的常数 此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础。,思 考,基本原理共振线与吸收线谱线轮廓与谱线变宽,几种变宽效应积分吸收和峰值吸收基态原子数与原子吸收定量基础,一.组成框图与工作原理,8.3 原子吸收分光光度计,1.组成框图,火焰原子化器,2.组成类型,3.光源的调制:机械调制:切光器;电学调制:占空比,1构造,二.光源(空心阴极灯),空心阴极:钨棒作成圆筒形筒内熔入被测元素阳 极:钨棒装有钛、锆,钽金属作成的阳极管内充气:氩或氖 133.3266.6Pa工作电压:150300伏启动电压
15、:300500伏 要求稳流电源供电。,即发射线半宽度远小于吸收线半宽度光源.,Hollow Cathode Lamp-HCL,2空心阴极灯:空心阴极灯是一种气体放电管,其结构如图:,钨棒构成的阳极和一个圆柱形的空心阴极,空心阴极是由待测元素的纯金属或合金构成,或者由空穴内衬有待测元素的其它金属构成。当在正负电极上施加适当电压(一般为200500伏)时,在正负电极之间便开始放电,这时,电子从阴极内壁射出,经电场加速后向阳极运动。电子在由阴极射向阳极的过程中,与载气(惰性气体)原子碰撞使其电离成为阳离子。带正电荷的惰性气体离子在电场加速下,以很快的速度轰击阴极表面,使阴极内壁的待测元素的原子溅射出
16、来,在阴极腔内形成待测元素的原子蒸气云。蒸气云中的待测元素的原子再与电子、惰性气体原子、离子发生碰撞而被激发,从而发射出所需频率的光。阴极发射出的光谱,主要是阴极元素的光谱(待测元素的光谱,另外还杂有内充惰性气体和阴极杂质的光谱)。,工作过程:高压直流电(300V)-阴极电子-撞击隋性原子-电离(二次电子维持放电)-正离子-轰击阴击-待测原子溅射-聚集空心阴极内被激发-待测元素特征共振发射线。,2.锐线光产生原理,在高压电场下,阴极电子向阳极高速飞溅放电,并与载气原子碰撞,使之电离放出二次电子,而使场内正离子和电子增加以维持电流。载气阳离子在电场中大大加速,轰击阴极表面时可将被测元素的原子从晶
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