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原子光谱

原子光谱,是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱。原子吸收光源中部分波长的光形成吸收光谱,为暗淡条纹;发射光子时则形成发射光谱,为明亮彩色条纹。两种光谱都不是连续的,且吸收光谱条纹可与发射光谱一一对应。每一种原子的光谱都不同,遂称为特征光谱。

原子中的电子可处于许多不同的运动状态,每一状态都具有一定能量,在一定条件下,分布在各个能级上的原子数是一定的,大多数原子都处于能量最低的状态,即基态。当原子受到电弧或电火花外来作用时,许多原子可以由能量较低的状态跃迁到能量较高的状态,这称为激发态。但跃迁到高能级E2的原子是不稳定的,约10~10S后,便要跃迁到某一低能级E1,并伴随着发出能量为△E=E2E1的光子。根据公式E=hv,可得到发出光子的频率。

若用底片将此接收下来,便得一条谱线。实际上,与此同时还有其他原子要发生其他能级间的跃迁,伴随着这些跃迁还要发出其他频率的光来。将这些不同频率的光接收下来,便得一条条亮的谱线。这称为原子发射光谱。另一方面,若将一白光通过一物质,则物质中的原子将吸收其中某些频率的光而从低能级跃迁到高能级。这样,白光通过物质后将出现一系列暗的条纹,这样获得的光谱称为原子吸收光谱。原子发射光谱和原子吸收光谱统称为原子光谱。原子光谱中各条谱线的强度互不相同,它与相应的两能级间的跃迁几率有关。

原子光谱给出了原子中的能级分布,能级间的跃迁几率大小的信息,是原子结构的反映,是由结构决定的。光谱与结构之间存在着一一对应的内在联系。原子光谱是研究原子结构的重要方法,也可用来进行定性、定量分析

原子的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。原子光谱是一些线状光谱,发射谱是一些明亮的细线,吸收谱是一些暗线。原子的发射谱线与吸收谱线位置精确重合。不同原子的光谱各不相同,氢原子光谱最为简单,其他原子光谱较为复杂,最复杂的是铁原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构,所有这些原子光谱的特征,反映了原子内部电子运动的规律性。

阐明原子光谱的基本理论是量子力学。原子按其内部运动状态的不同,可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量,它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态 ,能量高于基态的叫做激发态 ,它们构成原子的各能级(见原子能级)。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子,反之,较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态,发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。

原子光谱提供了原子内部结构的丰富信息。事实上研究原子结构的原子物理学和量子力学就是在研究分析阐明原子光谱的过程中建立和发展起来的。原子是组成物质的基本单元。原子光谱的研究对于分子结构、固体结构也有重要意义。原子光谱的研究对激发器的诞生和发展起着重要作用,对原子光谱的深入研究将进一步促进激光技术的发展;反过来激光技术也为光谱学研究提供了极为有效的手段。原子光谱技术还广泛地用于化学、天体物理、等离子体物理等和一些应用技术学科之中。

原子或离子的运动状态发生变化时,发射或吸收的有特定频率的电磁波谱.原子光谱的覆盖范围很宽,从射频段一直延伸到X射线频段,通常,原子光谱是指红外、可见、紫外区域的谱.

原子光谱中某一谱线的产生是与原子中电子在某一对特定能级之间的跃迁相联系的.因此,用原子光谱可以研究原子结构.由于原子是组成物质的基本单位,原子光谱对于研究分子结构、固体结构等也是很重要的.另一方面,由于原子光谱可以了解原子的运动状态,从而可以研究包含原子在内的若干物理过程.原子光谱技术广泛应用于化学、天体物理学、等离子物理学和一些应用技术科学中。

原子光谱技术作为现代分析检测技术中的一个重要组成部分,在分析领域中占据着举足轻重的地位,而其发展也反映了分析技术的不断改革与创新。综述了中国原子光谱技术近15年来(2000年2014年)的研究与应用进展。内容涉及原子光谱的多个分支领域,包括原子发射光谱,原子吸收光谱,原子荧光光谱,X射线荧光光谱以及原子质谱五种原子光谱技术。

原子发射光谱(AES):原子发射光谱法,是根据每种化学元素的原子或离子在热激发或电激发下,从激发态回到基态时发射的特征谱线,进行元素定性、半定量和定量分析的方法。它是光学分析中产生与发展最早的一种分析方法,却也是目前原子光谱技术研究中较为薄弱的一个部分。

原子吸收光谱(AAS):原子吸收光谱包括火焰原子化吸收光谱,石墨炉原子化吸收光谱,氢化物发生原子吸收光谱等。

原子荧光光谱(AFS):典型原子荧光检测过程是以氢化物/冷蒸气发生方式实现样品的导入,氩氢扩散火焰原子化器实现被测元素的原子化,自由原子被空心阴极灯激发后发射的原子荧光,以无色散光路被 光 电 倍 增 管 接 收,获 得 原 子 荧 光 信 号。理 论 上,AFS兼具AES和AAS的优点,同时也克服了两者的不足,但是,由于AFS存在散射光干扰及荧光猝 灭 严 重 等 固 有 缺陷,使得该方法对激发光源和原子化器有较高的要求。

X射线荧光光谱(XRF):X射线荧光光谱按 分 离 特 征 谱 线 的 方 法 分 为 波 长 色 散 型(WD-XRF)和 能 量 色 散 型(ED-XRF)两种。WD-XRF与ED-XRF的区别在于前者是用分光晶体将荧光光束进行色散,而后者则是借助高分辨率敏感半导体检测器与多道分析器将所得信号按光子能量进行分离来测定各元素含量。

原子质谱(AMS):原子质谱(AMS)又称为无机质谱法,是将试样原子化后采用各种离子源使其离子化,按质荷比不同而进行分离检测的方法,广泛用于各种试样中元素的定性和定量检测。


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