Введение
Изучение электромагнитного излучения, поглощаемого/излучаемого атомами
В физике атомная спектроскопия – это изучение электромагнитного излучения, поглощаемого и испускаемого атомами. Поскольку уникальные элементы имеют уникальные спектры излучения, атомная спектроскопия применяется для определения элементного состава. Её можно классифицировать по источнику атомизации или по типу используемой спектроскопии. Во втором случае основное различие проводится между оптической и масс-спектрометрией. Масс-спектрометрия обычно обеспечивает значительно более высокую аналитическую эффективность, но также значительно сложнее. Эта сложность влечет за собой более высокие затраты на приобретение, более высокие эксплуатационные расходы, более длительное обучение операторов и большее количество компонентов, которые потенциально могут выйти из строя. Поскольку оптическая спектроскопия часто менее затратна и обеспечивает достаточную эффективность для многих задач, она гораздо более распространена. Спектрометры атомной абсорбции – одни из наиболее часто продаваемых и используемых аналитических приборов.
Атомная спектроскопия
Электроны существуют на энергетических уровнях (т. е. атомных орбиталях) внутри атома. Атомные орбитали квантованы, то есть они существуют в виде определенных значений, а не непрерывных (см.: атомные орбитали). Электроны могут перемещаться между орбиталями, но при этом они должны поглощать или излучать энергию, равную разнице энергий между конкретными квантованными энергетическими уровнями атома. В оптической спектроскопии энергия, поглощаемая при переходе электрона на более высокий энергетический уровень (более высокую орбиталь), и/или энергия, испускаемая при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, поглощается или испускается в виде фотонов (световых частиц). Поскольку каждый элемент имеет уникальное число электронов, атом будет поглощать/излучать энергию по характерной для него схеме (например, Ca, Na и т. д.), и, следовательно, поглощать/излучать фотоны в соответствующем уникальном спектре. Тип атомов, присутствующих в образце, или их количество в образце можно определить, измеряя изменения длины волны и интенсивности света. Атомная спектроскопия подразделяется на атомную спектроскопию поглощения и атомную спектроскопию излучения. В атомной спектроскопии поглощения свет с заданной длиной волны пропускается через совокупность атомов. Если энергия света источника соответствует разнице энергий между двумя энергетическими уровнями в атомах, часть света будет поглощена. Разница между интенсивностью света, излучаемого источником (например, лампой), и светом, зарегистрированным детектором, дает значение поглощения. Это значение поглощения затем можно использовать для определения концентрации данного элемента (или атомов) в образце. Связь между концентрацией атомов, расстоянием, которое свет проходит через совокупность атомов, и долей поглощенного света описывается законом Бера-Ламберта. В атомной спектроскопии излучения интенсивность испускаемого света прямо пропорциональна концентрации атомов.
Источники ионов и атомов
Источники могут быть адаптированы различными способами, но в приведенных ниже списках описаны общие области применения различных источников. Из них пламя является наиболее распространенным благодаря своей низкой стоимости и простоте. Хотя индуктивно связанные плазмы используются значительно реже, особенно в сочетании со спектрометрами масс, они признаны за их выдающиеся аналитические характеристики и универсальность. Для всех методов атомной спектроскопии образец необходимо испарить и атомизировать. Для атомной масс-спектрометрии образец также необходимо ионизировать. Испарение, атомизация и ионизация часто, но не всегда, осуществляются с помощью одного источника. В качестве альтернативы, один источник может использоваться для испарения образца, а другой – для атомизации (и, возможно, ионизации). Примером является лазерная абляция с использованием индуктивно связанной плазменной атомно-эмиссионной спектрометрии, где лазер используется для испарения твердого образца, а индуктивно связанная плазма – для атомизации образовавшегося пара. За исключением пламени и графитовых печей, которые чаще всего используются для атомно-абсорбционной спектроскопии, большинство источников применяются для атомно-эмиссионной спектроскопии. Источники для жидких образцов включают пламя и искру (атомный источник), индуктивно связанную плазму (атомный и ионный источник), графитовую печь (атомный источник), микроволновую плазму (атомный и ионный источник) и плазму постоянного тока (атомный и ионный источник). Источники для твердых образцов включают лазеры (источник атомов и паров), тлеющий разряд (источник атомов и ионов), дугу (источник атомов и ионов), искру (источник атомов и ионов) и графитовую печь (источник атомов и паров). Источники для газообразных образцов включают пламя (атомный источник), индуктивно связанную плазму (атомный и ионный источник), микроволновую плазму (атомный и ионный источник), плазму постоянного тока (атомный и ионный источник) и тлеющий разряд (атомный и ионный источник).