Атомно-абсорбционная и эмиссионная спектроскопия

Спектроскопия — это основа спектрального анализа. Эти два метода являются весьма распространенными в группе физических методов спектрального анализа. Спектральный анализ — это качественное и количественное определение состава вещества, проводимое по оптическим спектрам.

Оптические спектры — это спектры электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 10³—0,1 мкм. Существуют оптические спектры поглощения (абсорбционные, получаемые при прохождении света через вещество), испускания (эмиссионные, от источников света), рассеяния и отражения. Все эти спектры возникают при квантовых переходах в атомных системах.

Механизм излучения света заключается в следующем. Если атом получит извне, например, при соударении с другим атомом достаточное количество кинетической энергии, то он неизбежно переходит в более высокое энергетическое состояние с энергией Ег- Однако это состояние неустойчиво, и потому возбужденный атом быстро переходит в исходное (стабильное) состояние или в промежуточное состояние с энергией Е. При этом разность энергий излучается в виде кванта света.

где И — постоянная Планка; о — частота света.

Так как возможные энергетические состояния атомов квантованы, то и каждый атом (или ион) имеет набор характеристических линейных излучений вполне определенной частоты и спектральных линий соответственно определенной длины волны. При этом спектры атомов элементов различаются и по числу спектральных линий, и по их длине волны.

Спектральные линии различаются еще и по интенсивности, которая определяется рядом атомных констант:

• 1) потенциалом возбуждения данной линии;
• 2) концентрацией атомов в газовом облаке;
• 3) температурой газового облака и др.

Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения).

Эмиссионный пламеннофотометрический метод спектрального анализа (полуколичественный и количественный) широко применяется при изучении состава минеральных веществ в геоэкологии, минералогии и геохимии, а также в промышленной минералогии, сельском хозяйстве и др. Первые аппараты — спектрографы с высокой производительностью появились в г. Томске в средине 50-х годов XX в. в Томском госуниверситете на кафедре минералогии и кристаллографии. Первым квалифицированным спектральщиком был доцент В. К. Чистяков, а его наставником — профессор И. К. Баженов.

Под спектральным анализом понимают анализ вещества по его спектру, возбуждаемому в оптической области с помощью горячих источников света (электрическая дуга, искра, газовое пламя и др.). Известно, что если какое-либо вещество перевести в парообразное состояние и нагреть до высокой температуры, то оно начинает светиться. При этом одновременно могут появляться спектры трех типов: 1) линейчатые, излучаемые возбужденными атомами и ионами; 2) полосчатые, вызываемые изменением энергии молекул; 3) сплошные от раскаленных твердых частиц и свободных электронов.

Сплошной спектр — помеха для анализа, поэтому выбирают режим, при котором сплошной спектр сводится к минимуму. Полосчатый спектр используется редко. С его помощью определяют элементы, образующие в процессе анализа прочные молекулы и радикалы, например, щелочноземельные и редкоземельные элементы и др.

Как правило, при эмиссионном спектральном анализе пользуются линейчатыми спектрами, состоящими из отдельных спектральных линий.

При качественном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений.

В количественном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительным или абсолютным интенсивностям линий или полос в спектрах.

Спектральные приборы и аппараты. В зависимости от способа получения спектра применяют различные аппараты:

• 1) призменные (ИСП-28, ИСП-30, ИСП-22, ИСП-51), в которых используется зависимость показателя преломления света от длины волны;
• 2) дифракционные (КСА-1, КС-55, ДФС-13, ДФС-8), основанные на явлении дифракции света;
• 3) модернизированные дифракционные аппараты (ДФС-10, СТЭ-1) — квантометры с фотоэлектрической регистрацией спектра. С их помощью продолжительность анализа сокращается в 1,5−2 раза.

Принципиальная схема получения оптического спектра с помощью всех моделей спектральных аппаратов включает в себя дуговой разряд и основана на испарении пробы образца в канале нижнего угольного электрода.

На первой стадии выполняют «полный» полуколичественный анализ, который дает общее представление о составе изучаемого объекта в объеме 40−60 химических элементов. Затем приступают к количественному определению отдельных, наиболее значимых для данного объекта элементов.

Для выполнения «полного анализа» пробу весом 10−30 мг растирают до пудры, помещают в канал нижнего угольного электрода и в течение 0,5−1,0 мин полностью испаряют в дуге постоянного или переменного тока. При включении дуги электроды разогреваются до температуры около 7000−3000 °С, проба плавится и постепенно испаряется. При этом испарение носит сильно выраженный фракционный характер.

В плазму дуги сначала поступают легколетучие элементы — это в первую очередь щелочные и щелочноземельные легко ионизирующиеся элементы, способные снижать температуру дуги от 7000 до 4000 °C и соответственно изменять состав плазмы. Далее в определенной последовательности испаряются элементы средней летучести, а последними испаряются труднолетучие.

С помощью спектрографа (камерного объектива) излучение разлагают в спектр и фотографируют на фотопластинке. Полученный спектр исследуют при 10-кратном увеличении на приборе спектропроекторе, выявляя спектральные линии, характерные для определенных элементов.

Атомно-абсорбционный метод анализа в методическом отношении близок к эмиссионному анализу. Он основан на поглощении излучения элемента невозбужденными атомами того же элемента.

Здесь используют обычно газовое пламя. Техника выполнения этого анализа отличается от техники эмиссионного анализа только тем, что дополнительно устанавливают источник зондирующего излучения для наблюдения поглощения. Это обычно лампа с полым катодом, содержащая определенный элемент.

Чаще зондирующее излучение проходит через газовое пламя, в которое распыляется раствор анализируемого вещества. По уменьшению интенсивности спектральной линии, вызванному тем, что атомы определенного элемента поглощают излучение, судят о содержании этого элемента в образце.

Эффект этого метода заключается во-первых, в том, что он позволяет определять ряд тех элементов (Mo, Zn, Sn, Bi), для которых непригоден эмиссионный метод вследствие сравнительно высокого потенциала возбуждения линий. Во-вторых, чувствительность определения многих элементов (Си, Ag, Аи, Fe, Ni, Со и Hg) этим методом значительно выше.