材料微观分析技术讲义-第五章-原子发射光谱.ppt
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1、材料微观分析技术讲义-第五章-原子发射光谱上周授课内容回顾上周授课内容回顾第四章第四章 材料光谱分析导论材料光谱分析导论 1.1.材料光分析方法基础材料光分析方法基础 2.2.原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱3.3.光谱法仪器与光学器件光谱法仪器与光学器件2023/4/172023/4/17第一节第一节 原子发射光谱分析基本原理原子发射光谱分析基本原理basic principle of Atomic emission spectrometry第二节第二节 原子原子发射光谱分析装置与仪器发射光谱分析装置与仪器device and instrument of AES第三节第三节 等离子体发射
2、光谱仪等离子体发射光谱仪plasma emission spectrometry第四节第四节 定性、定量分析方法定性、定量分析方法qualitative and quantitative analysis method 第五章第五章 原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法atomic emission spectrometry,AES2023/4/17一、概述一、概述generalization二、原子发射光谱的产生二、原子发射光谱的产生formation of atomic emission spectra 三、谱线强度三、谱线强度spectrum line intensity四、谱线自吸与自
3、蚀四、谱线自吸与自蚀self-absorption andselp reversal of spectrum line 第一节第一节 原子发射光谱分原子发射光谱分析基本原理析基本原理basic principle of AES2023/4/17一、概述一、概述 generalization原原子子发发射射光光谱谱分分析析法法:元元素素在在受受到到热热或或电电激激发发时时,由由基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态,返返回回到到基基态态时时,发发射射出出特特征征光光谱谱,依依据据特特征光谱进行定性、定量的分析方法。征光谱进行定性、定量的分析方法。1859年年,基基尔尔霍霍夫夫(Kirchhoff G
4、R)、本本生生(Bunsen R W)研研制制了了世世界界上上第第一一台台用用于于光光谱谱分分析析的的棱棱镜镜分分光光镜镜,实实现现了了原原子光谱检验。子光谱检验。1930年以后,建立了原子光谱定量分析方法。年以后,建立了原子光谱定量分析方法。原子光谱原子光谱 原子结构原子结构 原子结构理论原子结构理论 新元素新元素2023/4/17原子发射光谱分析法的特点原子发射光谱分析法的特点:(1)(1)可多元素同时检测可多元素同时检测 各元素同时发射各自的特征光谱;(2)(2)分析速度快分析速度快 试样不需处理,同时对几十种元素进行定量分析(全谱直读仪);(3)(3)选择性高选择性高 各元素具有不同的
5、特征光谱;(4)(4)检出限较低检出限较低 100.1gg-1(一般光源);ngg-1(ICP)(5)(5)准确度较高准确度较高 5%10%(一般光源);1%(ICP);(6)(6)ICP-AESICP-AES性能优越性能优越 线性范围46数量级,可测高、中、低不同含量试样;缺点缺点:非金属元素不能检测或灵敏度低非金属元素不能检测或灵敏度低。2023/4/17二、原子发射光谱的产生二、原子发射光谱的产生 formation of atomic emission spectra 在在正正常常状状态态下下,元元素素处处于于基基态态,元元素素在在受受到到热热(火火焰焰)或或电电(电电火火花花)激激发
6、发时时,由由基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态,返返回回到到基基态态时,发射出时,发射出特征光谱特征光谱(线状光谱线状光谱););特征辐射基态元素基态元素M激发态激发态M*热能、电能E2023/4/17原子的共振线与离子的电离线原子的共振线与离子的电离线第一共振线:第一共振线:原子由第一激发态到基态的跃迁,最易发生,原子由第一激发态到基态的跃迁,最易发生,能量最小。能量最小。原子获得足够的能量原子获得足够的能量(电离能电离能)产生电离产生电离,失去一个电子,失去一个电子,一次电离。一次电离。电离线:电离线:离子由第一激发态到基态的跃迁,其与电离能大小离子由第一激发态到基态的跃迁,其与电离能大小无
7、关,又称为离子的特征共振线。无关,又称为离子的特征共振线。原子谱线表原子谱线表:I 表示原子发射的谱线;表示原子发射的谱线;II 表示一次电离离子发射的谱线;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。表示二次电离离子发射的谱线。Mg:I 285.21 nm;II 280.27 nm。2023/4/17Na 元素的能级图元素的能级图 2023/4/17 K 元素的元素的能级图能级图 2023/4/17 Mg 元素的能级图元素的能级图2023/4/17三、谱线强度三、谱线强度 spectrum line intensity原原子子由由某某一一激激发发态态 i 向向低低能能级级
8、j 跃跃迁迁,所所发发射射的的谱谱线线强强度度与激发态原子数成正比。与激发态原子数成正比。在在热热力力学学平平衡衡时时,单单位位体体积积的的基基态态原原子子数数N0与与激激发发态态原原子数子数Ni的之间的分布遵守的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律玻耳兹曼分布定律:gi、g0:激激发发态态与与基基态态的的统统计计权权重重(能能级级简简并并度度2J1)Ei:为激发能;:为激发能;k为玻耳兹曼常数;为玻耳兹曼常数;T为激发温度;为激发温度;发射谱线强度发射谱线强度:Iij=Ni Aijh ijh为为Plank常常数数;Aij两两个个能能级级间间的的跃跃迁迁几几率率;ij发发射射谱谱线线的频率。将的频率
9、。将Ni代入上式,得:代入上式,得:2023/4/17谱线强度谱线强度影响谱线强度的因素影响谱线强度的因素:(1)激发能激发能:第一共振线:第一共振线(2)原子激发温度原子激发温度:温度升高,:温度升高,谱线强度增大,但易电离;谱线强度增大,但易电离;(3)跃迁几率跃迁几率(4)统计权重统计权重(5)受激发原子的密度受激发原子的密度2023/4/17四、谱线的自吸与自蚀四、谱线的自吸与自蚀 self-absorption and self reversal of spectrum line 等等离离子子体体:以以气气态态形形式式存存在在的的包包含含分分子子、离离子子、电电子子等等粒粒子子的的整
10、整体体电电中中性性集集合合体体。等等离离子子体体内内温温度度和和原原子子浓浓度度的的分分布不均匀布不均匀,中间的温度、激发态原子浓度高,边缘反之。,中间的温度、激发态原子浓度高,边缘反之。自自吸吸:中中心心发发射射的的辐辐射射被被边边缘缘的的同同种种基基态态原原子子吸吸收收,使使辐射强度降低的现象。辐射强度降低的现象。元元素素浓浓度度低低时时,不不出出现现自自吸吸。随随浓浓度度增增加加,自自吸吸越越严严重重,当当达达到到一一定定值值时时,谱谱线线中中心心完完全全吸吸收收,如如同同出出现现两条线,这种现象称为两条线,这种现象称为自蚀自蚀。谱线表示,谱线表示,r:自吸;自吸;R:自蚀;自蚀;202
11、3/4/17一、火焰光度计一、火焰光度计flame spectrometerspectrometer二、二、原子发射光谱原子发射光谱仪器仪器构成构成process of AES三、光谱仪的种类三、光谱仪的种类types of spectrophotometer spectrophotometer四、电弧和电火花发射光源四、电弧和电火花发射光源 arc and electric spark emission第二节 原子发射光谱分析装置与仪器device and instrument of AES2023/4/17一、火焰光度计 flame spectrometer 利用火焰作为激发光源,仪器装置
12、简单,稳定性高。该利用火焰作为激发光源,仪器装置简单,稳定性高。该仪器通常采用滤光片、光电池检测器等元件,价格低廉,又仪器通常采用滤光片、光电池检测器等元件,价格低廉,又称火焰光度计。称火焰光度计。常用于碱金属、钙常用于碱金属、钙等谱线简单的几种元素等谱线简单的几种元素的测定,在硅酸盐、血的测定,在硅酸盐、血浆等样品的分析中应用浆等样品的分析中应用较多。对钠、钾测定困较多。对钠、钾测定困难,仪器的选择性差。难,仪器的选择性差。2023/4/17二、原子发射光谱仪器构成 process of AES 原子发射光谱仪通常由三部分构成:原子发射光谱仪通常由三部分构成:光源、光谱仪、检测器光源、光谱仪
13、、检测器2023/4/17三、光谱仪的种类 types of spectrophotometer2023/4/17四、电弧和电火花发射光源 arc and electric spark emission 光源的作用:为试样的气化原子化和激发提供能源光源的作用:为试样的气化原子化和激发提供能源 1.1.直流电弧直流电弧 直流电作为激发能源,电压直流电作为激发能源,电压150 380V,电流电流5 30A;两支石墨电极,试样放置在一支电极两支石墨电极,试样放置在一支电极(下电极下电极)的凹槽内;使的凹槽内;使分析间隙的两电极接触或用导体接触两电极,通电,电极尖分析间隙的两电极接触或用导体接触两电极
14、,通电,电极尖端被烧热,点燃电弧,再使电极相距端被烧热,点燃电弧,再使电极相距4 6mm。2023/4/17 发射光谱的产生:发射光谱的产生:电弧点燃后,热电子流高速通过分析间隔冲击阳极,产电弧点燃后,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。激发态,返回基态时发射出该原子的光谱。弧焰温度弧焰温度:40007000 K 可使约可使约70多种元素激发;多种元素
15、激发;特点特点:绝对灵敏度高,背景小,适合定性分析;:绝对灵敏度高,背景小,适合定性分析;缺点:缺点:弧光不稳,再现性差;弧光不稳,再现性差;不适合定量分析。不适合定量分析。2023/4/17 2.2.低压交流电弧低压交流电弧 工作电压:工作电压:110220 V。采用高频引燃装置点燃电弧,在每一交流半周时引燃一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。次,保持电弧不灭。2023/4/17低压交流电弧的特点:低压交流电弧的特点:(1)电弧温度高,激发能力强)电弧温度高,激发能力强;(2)电极温度稍低,蒸发能力稍低;)电极温度稍低,蒸发能力稍低;(3)电弧稳定性好,使分析
16、重现性好,适用于定量分析。)电弧稳定性好,使分析重现性好,适用于定量分析。2023/4/17 .高压火花高压火花(1)交流电压经变压器)交流电压经变压器T后,产生后,产生1025kV的高压,然后的高压,然后通过扼流圈通过扼流圈D向电容器向电容器C充电,达到充电,达到G的击穿电压时,通过电的击穿电压时,通过电感感L向向G放电,产生振荡性的火花放电放电,产生振荡性的火花放电;(2)转动续断器)转动续断器M,2,3为钨为钨电极,每转动电极,每转动180度,对接一次,度,对接一次,转动频率转动频率(50转转/s),接通接通100次次/s,保证每半周电流最大值瞬间放保证每半周电流最大值瞬间放电一次。电一
17、次。2023/4/17高压火花的特点: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,)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)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;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)稳定性好,重现性好,适用定量分析。缺点:缺点:(1)灵敏度较差,但可做较高含量的分析)灵敏度较差,但可做较高含量的分析;(2)噪音较大)噪音较大。2023/4/17一、一、概述概述gene
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- 材料 微观 分析 技术 讲义 第五 原子 发射光谱
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