В физике атомная спектроскопия — это изучение электромагнитного излучения , поглощаемого и испускаемого атомами . Поскольку уникальные элементы имеют уникальные спектры испускания , атомная спектроскопия применяется для определения элементного состава. Она может быть разделена по источнику атомизации или по типу используемой спектроскопии . В последнем случае основное разделение проводится между оптической и масс-спектрометрией . Масс-спектрометрия, как правило, обеспечивает значительно лучшую аналитическую производительность, но также значительно более сложна. Эта сложность приводит к более высоким затратам на покупку, более высоким эксплуатационным расходам, большему обучению оператора и большему количеству компонентов, которые потенциально могут выйти из строя. Поскольку оптическая спектроскопия часто менее дорогая и имеет производительность, достаточную для многих задач, она гораздо более распространена. [ необходима цитата ] Атомно -абсорбционные спектрометры являются одними из наиболее часто продаваемых и используемых аналитических приборов.
Электроны существуют на энергетических уровнях (т. е. атомных орбиталях ) внутри атома. Атомные орбитали квантуются, то есть они существуют как определенные значения, а не являются непрерывными (см.: атомные орбитали ). Электроны могут перемещаться между орбиталями, но при этом они должны поглощать или испускать энергию, равную разнице энергий между конкретными квантованными орбитальными энергетическими уровнями их атома. В оптической спектроскопии энергия, поглощаемая для перемещения электрона на более высокий энергетический уровень (более высокую орбиталь) и/или энергия, испускаемая при перемещении электрона на более низкий энергетический уровень, поглощается или испускается в форме фотонов (частиц света). Поскольку каждый элемент имеет уникальное количество электронов, атом будет поглощать/выделять энергию по схеме, уникальной для его элементарной идентичности (например, Ca, Na и т. д.), и, таким образом, будет поглощать/испускать фотоны по соответствующей уникальной схеме. Тип атомов, присутствующих в образце, или количество атомов, присутствующих в образце, можно вывести из измерения этих изменений длины волны света и интенсивности света.
Атомная спектроскопия далее делится на атомно-абсорбционную спектроскопию и атомно-эмиссионную спектроскопию . В атомно-абсорбционной спектроскопии свет заданной длины волны пропускается через совокупность атомов. Если длина волны исходного света имеет энергию, соответствующую разнице энергий между двумя уровнями энергии в атомах, часть света будет поглощена. Разница между интенсивностью света, испускаемого источником (например, лампой), и света, собранного детектором, дает значение поглощения. Это значение поглощения затем может быть использовано для определения концентрации данного элемента (или атомов) в образце. Соотношение между концентрацией атомов, расстоянием, которое свет проходит через совокупность атомов, и частью поглощенного света задается законом Бера-Ламберта . В атомно-эмиссионной спектроскопии интенсивность испускаемого света прямо пропорциональна концентрации атомов.
Источники можно адаптировать многими способами, но списки ниже дают общее применение ряда источников. Из них пламя является наиболее распространенным из-за его низкой стоимости и простоты. Хотя индуктивно-связанная плазма встречается значительно реже, она, особенно при использовании с масс-спектрометрами, признана за ее выдающиеся аналитические характеристики и универсальность.
Для всех видов атомной спектроскопии образец должен быть испарен и распылен. Для атомной масс-спектрометрии образец также должен быть ионизирован. Испарение, распыление и ионизация часто, но не всегда, выполняются с помощью одного источника. В качестве альтернативы один источник может использоваться для испарения образца, а другой — для распыления (и, возможно, ионизации). Примером этого является лазерная абляция индуктивно-связанной плазменной атомно-эмиссионной спектрометрии, где лазер используется для испарения твердого образца, а индуктивно-связанная плазма — для распыления пара.
За исключением пламени и графитовых печей, которые чаще всего используются для атомно-абсорбционной спектроскопии, большинство источников используются для атомно-эмиссионной спектроскопии.
Источники для отбора проб жидкости включают пламя и искры (источник атомов), индуктивно-связанную плазму (источник атомов и ионов), графитовую печь (источник атомов), микроволновую плазму (источник атомов и ионов) и плазму постоянного тока (источник атомов и ионов). Источники для отбора проб твердого тела 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 ионов). Источники для отбора проб газа включают пламя (источник атомов), индуктивно-связанную плазму (источник атомов и ионов), микроволновую плазму (источник атомов и ионов), плазму постоянного тока (источник атомов и ионов) и тлеющий разряд (источник атомов и ионов).
Для любого заданного атома существуют квантовые числа , которые могут определить волновую функцию этого атома. Используя атом водорода в качестве примера, для полного описания состояния системы требуется четыре квантовых числа. Квантовые числа, которые являются собственными значениями операторов , которые коммутируют с волновой функцией для описания физических аспектов системы, и называются «хорошими» числами из-за этого. [1] После того, как для заданного атомного перехода найдены хорошие квантовые числа, правила отбора определяют, какие изменения квантовых чисел разрешены.
Электрический дипольный (E1) переход атома водорода можно описать квантовыми числами l (квантовое число орбитального углового момента), m l (магнитное квантовое число), m s (квантовое число электронного спина) и n (главное квантовое число). Оценивая влияние оператора электрического дипольного момента μ на волновую функцию системы, мы видим, что все значения собственного значения равны 0, за исключением случаев, когда изменения квантовых чисел следуют определенному шаблону.
Например, в переходе E1, если только Δ l = ± 1, Δ m l = 0 или ± 1, Δ m s = 0 и Δ n = любое целое число, приведенное выше уравнение даст значение, равное нулю, и переход будет известен как «запрещенный переход». Например, это произойдет в определенных случаях, например, когда Δ l = 2. В этом случае переход не будет разрешен и, следовательно, будет намного слабее разрешенного перехода. Эти конкретные значения для изменений квантовых чисел известны как правила отбора для разрешенных переходов и показаны для общих переходов в таблице ниже:
