Источники возбуждения спектров

Основы метода

 

Эмиссионный спектральный анализ является одним из наиболее мощных средств изучения состава вещества. По богатству и надежности одновременно получаемой информации этот метод не имеет себе равных. Универсальность анализа, быстрота и высокая чувствительность (от целых процентов до 10^-4-10^-5 %)позволяют успешно использовать его для решения минералогических, геохимических и геоэкологических задач. Метод позволяет практически осуществить анализ любого количества проб, причем одновременно определяется значительное число элементов (до 50-70).

В эмиссионном спектральном анализе используются спектры излучения атомов, ионов и отдельных молекул. Структура спектров и интенсивность отдельных спектральных линий определяется внутренним строением излучающих частиц и условиями, в которых они находятся.

Атом каждого химического элемента может находиться в различных, но строго определенных энергетических состояниях. Состояние с минимальной энергией является наиболее устойчивым и называется нормальным или основным. Другие состояния - возбужденные - являются менее устойчивыми. Переход атома из возбужденного состояние в основное (в возбужденном состоянии атом находится очень недолго 10^-7 - 10^-8 с) или другое возбужденное состояние, но с меньшей энергией, сопровождается излучением кванта света, частота которого определяется фундаментальным соотношением, выражающим закон сохранения энергии или излучения:

hv=Е₂ -E₁ 1 или v= (Е₂-Е₁)/h

 

длина волны L = ch/(E₂-E₁)

 

где E₁ и Е₂ - энергии исходного и конечного состояний;

с - скорость света;

h - постоянная Планка;

L – длина волны.

 

Набор длин волн спектральных линий, излучаемых атомом, строго определяется набором энергетических состояний, в котором он может находиться. Каждый атом излучает характерный свойственный ему линейчатый спектр.

Спектральные линии имеют различную форму и ширину, обусловленные свойствами излучающего атома и внешними условиями. Естественная ширина линий не зависит от длины волны и составляет 0,000119 ангстрем, А⁰. Естественная ширина линий намного меньше, чем уширение, вызываемое в источниках возбуждения взаимодействием излучаемого атома с электронами, ионами и нейтральными частицами, а также эффектом Доплера.

Интенсивность (яркость) спектральных линий определяется потенциалом возбуждения данной линии, вероятностью соответствующего квантового перехода и другими факторами (поглощение, рассеивание, концентрация излучаемого элемента и др.). В общем виде зависимость интенсивности спектральной линии от концентрации выражается формулой (кривая роста):

 

I = aC^b или Lg I = b LgC + Lga

где - I - интенсивность линии элемента;

С - концентрация элемента в исследуемом веществе;

a и b - константы, имеющие определенное физическое значение, определяемое на опыте (коэф., характеризующие самопоглощение).

Специфичность спектральных линий каждого элемента и дискретность спектра, зависимость интенсивности спектральных линий от концентрации излучаемого элемента используется для качественного и количественного анализа содержания отдельных элементов в пробе.

Задача эмиссионного спектрального анализа состоит в определении состава вещества по спектру, излучаемого его парами. Процесс анализа включает три этапа:

1. Перевод вещества в газообразное состояние и возбуждение спектров атомов, ионов и молекул. Эта задача выполняется с помощью источников возбуждения.

2. Разложение излучения в спектр и его регистрация, которое осуществляется спектральным аппаратом.

3. Изучение полученного спектра и установление содержания элементов, присутствующих в исследуемой пробе. Сюда относятся отождествление спектральных линий, измерение их интенсивностей и определение содержание элемента.

Источники возбуждения спектров

 

В качестве источников испарения и возбуждения используются:

- электрическая дуга

- искровой и импульсный разряды

- оптические квантовые генераторы

- пламя.