光譜分析儀

　　基本介紹

　　根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理,光譜儀可以分為兩大類:經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器：新型光譜儀器是建立在調(diào)制原理上的儀器.經(jīng)典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調(diào)制光譜儀是非空間分光的，它采用圓孔進(jìn)光根據(jù)色散組件的分光原理,光譜儀器可分為:棱鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀.光學(xué)多道OMA(Optical Multi-channel Analyzer)是近十幾年出現(xiàn)的采用光子探測(cè)器(CCD)和計(jì)算機(jī)控制的新型光譜分析儀器,它集信息采集，處理，存儲(chǔ)諸功能于一體。由于OMA不再使用感光乳膠,避免和省去了暗室處理以及之后的一系列繁瑣處理，測(cè)量工作，使傳統(tǒng)的光譜技術(shù)發(fā)生了根本的改變,大大改善了工作條件，提高了工作效率：使用OMA分析光譜，測(cè)盆準(zhǔn)確迅速，方便，且靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，光譜分辨率高，測(cè)量結(jié)果可立即從顯示屏上讀出或由打印機(jī)，繪圖儀輸出。它己被廣泛使用于幾乎所有的光譜測(cè)量，分析及研究工作中,特別適應(yīng)于對(duì)微弱信號(hào)，瞬變信號(hào)的檢測(cè)。

　　原理

　　原子發(fā)射光譜分析是根據(jù)原子所發(fā)射的光譜來測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)組分的。不同物質(zhì)由不同元素的原子所組成，而原子都包含著一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的原子核，核外圍繞著不斷運(yùn)動(dòng)的電子。每個(gè)電子處于一定的能級(jí)上，具有一定的能量。在正常的情況下，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的能量是最低的，這種狀態(tài)稱為基態(tài)。但當(dāng)原子受到能量(如熱能、電能等)的作用時(shí)，原子由于與高速運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)粒子和電子相互碰撞而獲得了能量，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到更高的能級(jí)上，處在這種狀態(tài)的原子稱激發(fā)態(tài)。電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需的能量稱為激發(fā)電位，當(dāng)外加的能量足夠大時(shí)，原子中的電子脫離原子核的束縛力，使原子成為離子，這種過程稱為電離。原子失去一個(gè)電子成為離子時(shí)所需要的能量稱為一級(jí)電離電位。離子中的外層電子也能被激發(fā)，其所需的能量即為相應(yīng)離子的激發(fā)電位。處于激發(fā)態(tài)的原子是十分不穩(wěn)定的，在極短的時(shí)間內(nèi)便躍遷至基態(tài)或其它較低的能級(jí)上。

　　當(dāng)原子從較高能級(jí)躍遷到基態(tài)或其它較低的能級(jí)的過程中，將釋放出多余的能量，這種能量是以一定波長(zhǎng)的電磁波的形式輻射出去的，其輻射的能量可用下式表示：(1)E2、E1分別為高能級(jí)、低能級(jí)的能量，h為普朗克(Planck)常數(shù)；v及λ分別為所發(fā)射電磁波的頻率及波長(zhǎng)，c為光在真空中的速度。

　　每一條所發(fā)射的譜線的波長(zhǎng)，取決于躍遷前后兩個(gè)能級(jí)之差。由于原子的能級(jí)很多，原子在被激發(fā)后，其外層電子可有不同的躍遷，但這些躍遷應(yīng)遵循一定的規(guī)則(即“光譜選律”)，因此對(duì)特定元素的原子可產(chǎn)生一系列不同波長(zhǎng)的特征光譜線，這些譜線按一定的順序排列，并保持一定的強(qiáng)度比例。光譜分析就是從識(shí)別這些元素的特征光譜來鑒別元素的存在(定性分析)，而這些光譜線的強(qiáng)度又與試樣中該元素的含量有關(guān)，因此又可利用這些譜線的強(qiáng)度來測(cè)定元素的含量(定量分析)。這就是發(fā)射光譜分析的基本依據(jù)。

　　工作原理

　　光譜分析儀的分析原理是將光源輻射出的待測(cè)元素的特征光譜通過樣品的蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，由發(fā)射光譜被減弱的程度，進(jìn)而求得樣品中待測(cè)元素的含量。它符合郎珀-比爾定律 A= -lg I/I o= -LgT = KCL 式中I為透射光強(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)度，T為透射比，L為光通過原子化器光程由于L是不變值所以A=KC。物理原理任何元素的原子都是由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成的，原子核外電子按其能量的高低分層分布而形成不同的能級(jí)，因此，一個(gè)原子核可以具有多種能級(jí)狀態(tài)。能量最低的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)能級(jí)（E0=0），其余能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)能級(jí)，而能最低的激發(fā)態(tài)則稱為第一激發(fā)態(tài)。正常情況下，原子處于基態(tài)，核外電子在各自能量最低的軌道上運(yùn)動(dòng)。如果將一定外界能量如光能提供給該基態(tài)原子，當(dāng)外界光能量E恰好等于該基態(tài)原子中基態(tài)和某一較高能級(jí)之間的能級(jí)差E時(shí)，該原子將吸收這一特征波長(zhǎng)的光，外層電子由基態(tài)躍遷到相應(yīng)的激發(fā)態(tài)，而產(chǎn)生原子吸收光譜。電子躍遷到較高能級(jí)以后處于激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)電子是不穩(wěn)定的，大約經(jīng)過10^-8秒以后，激發(fā)態(tài)電子將返回基態(tài)或其它較低能級(jí)，并將電子躍遷時(shí)所吸收的能量以光的形式釋放出去，這個(gè)過程稱原子發(fā)射光譜?？梢娫游展庾V過程吸收輻射能量，而原子發(fā)射光譜過程則釋放輻射能量。

　　發(fā)射光譜分析的過程

　　1．把試樣在能量的作用下蒸發(fā)、原子化(轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子)，并使氣態(tài)原子的外層電子激發(fā)至高能態(tài)。當(dāng)從較高的能級(jí)躍遷到較低的能級(jí)時(shí)，原子將釋放出多余的能量而發(fā)射出特征譜線。這一過程稱為蒸發(fā)、原子化和激發(fā)，需借助于激發(fā)光源來實(shí)現(xiàn)。

　　2．把原子所產(chǎn)生的輻射進(jìn)行色散分光，按波長(zhǎng)順序記錄在感光板上，就可呈現(xiàn)出有規(guī)則的光譜線條，即光譜圖。系借助于攝譜儀器的分光和檢測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)。

　　3．根據(jù)所得光譜圖進(jìn)行定性鑒定或定量分析。由于不同元素的原子結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)被激發(fā)后發(fā)射光譜線的波長(zhǎng)不盡相同，即每種元素都有其特征的波長(zhǎng)，故根據(jù)這些元素的特征光譜就可以準(zhǔn)確無誤的鑒別元素的存在(定性分析)，而這些光譜線的強(qiáng)度與試樣中該元素的含量有關(guān)，因此還可利用這些譜線的強(qiáng)度來測(cè)定元素的含量(定量分析)。