原子发射光谱实验

1、实验五原子发射光谱实验（一）光谱拍摄光波是一种电磁波，令d厶代表 波长在久到a + c1az间光的强度，则/(a)=代表单位波长区间的光强。“刃随波长的分布，叫做光谱。物质的发射光谱冇 三种：线状光谱、带状光谱及连续光谱。线状光谱由原了或离了被激发而发射； 带状光谱由分子被激发而发射；连续光谱由固体或液体所发射。本实验主要原子 发射光谱。原子发射光谱法是一种成分分析方法，可对约70种元素（金属元素及磷、 硅、碑、碳、硼等非金属元索）进行分析。这种方法常用于定性、半定量和定量 分析。在一般情况下，原了发射光谱用于1%以下含量的组份测定，检出限可达 百万分之一。光谱技术不仅是人们认识原子、分子结构

2、的重要手段之一，而且它在现代科 学技术的各个领域和国民经济的许多部门获得了广泛应用。例如在半导体材料科 学方面，人们应用一种叫做光热电离光谱的技术，可以检测出材料中亿亿分子一 含量（1（t”）的杂质原子。一、实验目的1、了解光谱的基本知识。2、学会用平面光栅摄谱仪拍摄原子发射光谱。二、实验原理一般情况下，原子处于基态，通过电致激发、热致激发或光致激发等激发光 源作用下，原子获得能量，外层电子从基态跃迁到较高能态变为激发态，约经 10-8 s,外层电了就从高能级向较低能级或基态跃迁，多余的能量的发射可得到 一条光谱线。每种原子都有其特征谱线，根据这个道理，我们通过仪器使分析试样中所含 的原了得到

3、激发，然后将产生的光谱分光，使其按波长顺序呈现出有规则的线条 记录下来，即称为光谱图，将之与标准谱图对照，由特征谱线是否存在，从而决 定出该样品是否含有某种元索，从而完成定性分析。进一步的分析还可测定所含 元素的含量。三、实验装置原子发射光谱法仪器分为三部分：光源、分光仪和探测器。1 光源光源使试样蒸发、解离、原子化、激发、跃迁产生光辐射的作用。光源对光 谱分析的检出限、精密度和准确度都有很大的影响。口前常用的光源有直流电弧、 交流电弧、屯火花及电感耦合高频等离子体。在电光源中，两个电极之间是空气（或其它气体）。放电是在有气体的电极 之间发生。由于在常压下，空气几乎没有电子或离子，不能导电，所

4、以要借体产 生离子变成导体。使电离的方法冇：紫外线照射、电子轰击、电子或离子对中性 原子碰撞以及金属灼热吋发射电子等。当气体电离后，还需在屯极间加以足够的 电压，才能维持放电。通常，当电极间的电压增大，电流也随之增大，当电极间 的屯压增大到某一定值时，电流突然增大到差不多只受外电路中电阻的限制，即 屯极间的屯阻突然变得很小，这种现象称为击穿。在电极间的气体被击穿后，即 使没有外界电离作用，仍然继续保持电离，使放电持续，这种放电称为自持放电。 光谱分析用的电光源（电弧和点火花），都属于自持放电类型。使屯极间击穿而发生自持放电的最小电压称为“击穿屯压”。耍使空气中通过 电流，必须要有很高的电压，在

5、latm压力下，若使lmm的间隙中发生放电，必 须具有3300v的电压。1）直流电弧电源一般为可控硅整流器。常用高频电压引燃支流电弧。直流电弧工作吋， 阴极释放出來的电子不断轰击阳极，使其表面上出现一个炽热的斑点。这个斑点 称为阳极斑。阳极斑的温度较高，有利丁试样的蒸发。因此，一般均将试样置于 阳极碳棒孔穴中。在直流电弧中，弧焰温度取决于弧隙中气体的电离电位，一般 约40007000k,尚难以激发电离电位高的元素。电极头的温度较弧焰的温度 低，且与电流大小有关，一般阳极可达3800°c,阴极则在3000°c以下。直流电弧的最大优点是电极头温度高（与其它光源比较），蒸发能力强

6、；缺 点是放电不稳定，且弧较厚，自吸现象严重，故不适宜用于高含量定量分析，但 可很好地应用于矿石等的定性、半定量及痕量元素的定量分析。2）交流电弧将普通的220v交流电直接连接在两个电极间是不可能形成弧焰的。这是因 为电极间没有导电的电了和离了，可以采用高频高压引火装置。此时，借助高频 高压电流，不断地“击穿”电极间的气休，造成电离，维持导电。在这种情况下, 低频低压交流电就能不断地流过，维持电弧的燃烧。这种高频高压引火、低频低 压燃弧的装置就是普通的交流电弧。交流电弧是介于直流电弧和电火花之间的一种光源，与直流相比，交流电弧 的电极头温度稍低一些，但由于有控制放电装置，故电弧较稳定。这种电源

7、常用 于金属、合金中低含量元素的定量分析。3）电火花和等离子体光源等（略）木实验光源使用交直流电弧发牛器。助于外界的力量，才能使气不断地被“击穿”，造成电离，维持导电。2. 分光仪把光波中不同波长的光在空间分开称为分光。分光由光谱仪來实现，按分光 原理，光谱仪主耍分为棱镜光谱仪和光栅光谱仪两类。棱镜是利用玻璃、石 英等材料对不同波长的光折射率不同，即所谓色散，来实现分光的。光栅则 是利用光波的衍射和干涉來实现分光的。由于光栅刻划和复制技术的口益完 善，目前光栅摄谱仪基木上取代了棱镜光谱仪。下面介绍典型的平面光栅摄 谱仪。图1平面光栅摄谱仪图1是平面光栅摄谱仪的示意图。现在的平面光栅摄谱仪并不多

8、都釆用这种结 构，称为fastie-ebert系统。其工作原理如下：光源和外光路系统将入射狭缝 si照明。被照明的狭缝相当于一个新光源，它发出的光束1刚好充满其准直作用 的凹面镜皿（镀铝凹面反射镜）。si处于帕的焦面上，因此光束1经乩反射后成 平行光束2以&角投射到光栅g上，经g的衍射和干涉，将各波长的光在水平面 色散（光栅刻线在铅垂方向），其屮有一部分波段的光落到照相物镜ml上（m?和 nh是同一块凹面镜的不同部分），m2将不同波长的光聚焦在不同的水平位置上， 其中有波 入的光落到谱板的中央，称为中心波氏。从以上的描述可以看出，狭 缝s和谱板上的谱线是共觇的（即s和谱线是物和象的关系

9、），谱线即是$的单 色象。转动光栅可以改变中心波长及落到谱板上的波段（这是&和©都改变）。 为了不使焦平面上太拥挤，一般将入射狭缝放在光路的垂直方向并通过平面反射 镜将入射光投射到准直凹面镜m】上，如图1虚线部分所示。在这种摄谱仪中, 对中心波t来说e = -（p ,所以其光栅方程为：2d sin 0 = mafastie-ebert系统的优点是：谱板屮央部分无慧形象差，整个谱面上几乎 无象散。转动光栅即可转换被记录的波段，操作方便。当& = 60°时仍能很好地 聚焦。这些优点能够较好地满足摄谱仪地要求。3. 探测器在原了发射光谱法中，常用的探测方法有：目视

10、法、摄谱法和光电法。木 实验中使用摄谱法。摄谱法是用感光板记录光谱。感光板由感光层、防晕层和平 整的玻璃基片组成。感光层是将含有卤化银（澳化银、碘化银等）晶体颗粒的乳 剂均匀地涂在玻璃片上而制成的。感光板置于光谱仪的焦平面处接收光谱,在光的照射下，感光板曝光，在底片上获得潜象，经显影定影等暗室技术处理， 可获得具有清晰谱线的固定影象。四、实验内容1、样品的处理。将固体非金属样品（例如指甲、头发等，剪成碎片），取5mg50mg,放入碳棒 的下凹孔内。将液体样品，取一滴置于平头碳棒上，吹干或烘干。金属样品无需预处理，直接接电弧发生器。2、外光路调节，熟悉仪器。调节外光路，使光均匀照亮狭缝。3、在暗

11、室装底片。4、选定拍摄条件。光栅屮心波长3100埃（即光谱范围2150埃4050埃）板移：2. 3mm其它经验参考数值：fe棒缝宽0.050mm预燃3s曝光58s指甲、硬币、石灰等缝宽0. 100-0. 200mm 预燃2 3s 曝光15-20s头发缝宽0. 150-0. 200mm 预燃is曝光15-20s4、拍摄。打开交直流电弧发生器电源，选择交流电弧，按下“开始”按钮，进行 拍摄。每个样品拍摄完以后都要先按下电弧发生器上的停止按钮，再更换样 uu o5、冲洗底片并晾干（或吹干）用d-72或d-76显影3min定影1012min6、实验完毕。整理仪器和桌面。注意事项：因电弧发生器输出电压可

12、达15kv,输出电流可达520a,所以实验 过程中，务必注意安全！实验六原子发射光谱实验（二）光谱定性分析一、实验目的学会使用元素发射光谱图和投影仪来确定未知样詁屮所含的各种元素，并学 会佔计哪些是主要成分、大量成分和微量成分。二、实验原理由于各种元素的原子结构不同，在光源的激发作用下，试样屮每种元素都发 射自己的特征光谱。试样屮所含元素只要达到一定的含量，都可以有谱线摄谱 在感光板上。摄谱法操作，价格便宜，快速。它是口前进行元素定性检出的最好 方法。每种元素发射的特征谱线有多有少（多的可达几千条）。当进行定性分析吋, 只须检出几条谱线即可。进行分析吋所使用的谱线称为分析线。如果只见到某元 素

13、的一条谱线，不可断定该元素确实存在于试样屮，因为有可能是其它元素谱线 的干扰。检出某兀素是否存在必须有两条以上不受干扰的最后线与灵敏线。灵敏线是 元素激发电位低、强度较大的谱。最后线是指当样品屮某元素的含量逐渐减少吋, 最后仍能观察到的几条谱线。它也是该兀素的最灵敏线。木实验我们采用口前最通用的铁光谱比较法，它是采用铁的光谱作为波长的 标尺，来判断其他兀素的谱线。铁光谱作标尺有如下特点： 谱线多。在210 660nm范围内有几千条谱线。 谱线间距离都很近。在上述波长范围内均匀分布。对每一条谱线波长，人们都已进行了精确的测 量。在实验室屮有标准光谱图对照进行分析。标准光谱图是在相同条件下，在铁

14、光谱上方准确地绘出68种元素的逐条谱线并放大20倍的图片。铁光谱比较法实 际上是与标准光谱图进行比较，因此又称为标准光谱图比较法。在进行分析工作 吋将试样与纯铁在完全相同条件下并列并且紧挨着摄谱，摄得的谱片置于映谱仪 （放大仪）上；谱片也放大20倍，再与标准光谱图进行比较。比较吋首先须将谱片上的铁谱与标准光谱图上的铁谱对准，然后检查试样屮 的元素谱线。若试样屮的元素谱线与标准图谱屮标明的某一元素谱线出现的波长 位置相同，即为该元素的谱线。理论上判断某一元素是否存在，必须由其灵敏线决定。但是鉴于教学实验条 件和吋间限制，我们主要通过在某一波段范围内元素谱线出现的几率和光谱强度 定性作佔计。一般只

15、有在光谱屮出现两根以上明显的分析线吋，才能确定元素的 存在。三、实验内容1、将上一次实验所获得的光谱图置于投影仪，调节投影仪，看到清晰的放大 20倍的象。熟悉投影仪的使用方法。2、根据铁谱特征或中光波长数，将标准谱图与拍摄的光谱图对好，使铁谱线 分别对应重合。3、对拍摄的光谱进行全分析。4、确定待测样品中所含的元索，并估计出主要成分，大量成分，微量成分。5、关机并整理。附录1：原子能级与能级图原子光谱是原子的外层电子(或称价电子)在两个能级之间跃迁而产生。原 子的能级通常用光谱项符号表示：n2s+dj核外屯子在原子中存在运动状态，叫以用四个量子数n> 1 > ms來规定。主量 子数

16、n决定电子的能量和电子离核的远近。角量子数1决定电子角动量的大小 及屯子轨道的形状，在多电子原子中也影响电子的能量。磁量子数m决定磁场中 屯子轨道在空间的伸展方向不同时屯子运动角动量分量的大小。自旋量子ms数 决定屯子自旋的方向。四个量子数的取值：n 二 1, 2, 3 , n； 1 二 0, 1, 2, (n-1)相应的符号为 s, p, d, f；m 0, 1, 2,±1；ms = ± 1/2有多个价电子的原子，它的每一个价电子都口j能跃迁而产生光谱。同吋各个价电 子间还存在相互作用，光谱项用n, l, s, j四个量子数描述。n为主量子数；l 为总角量子数，其数值为外

17、层价电子角量子数1的矢量和。两个价电子耦合所的 的总角量子数l与单个价电子的角量子数11、12有如下的关系：l 二(11+12)，(11+ 12-1)，(11+ 12-2),，111-121其值口j能:l=0, 1, 2, 3,，相应的谱项符号为s, p, d, f,，若价电子 数为3时，应先把2个价电子的角量子数的矢量和求出后，再与第三个价电子求 出其矢量和，就是3个价电子的总角量子数。s为总自旋量子数，自旋与自旋之间的作用也较强的，多个价电子总自旋量 子数是单个价电子自旋量子数叱的矢量和。其值可取0, ±1/2, ±1,±3/2,。 j为内量子数，是曲于轨道运

18、动与自旋运动的相互作用即轨道磁矩与自旋量子数 的相互影响而得出的，它是原子中各个价屯子组合得到的总角量子数l与总自旋 量子数s的矢量和。j 二 l + sj的求法为j 二(l+s), (l+s-l), (l+s2),.,i l-s i光谱项符号左上角的(2s+1)称为光谱项的多重性。当用光谱项符号32s1/2 表示钠原子的能级时，表示钠原子的电子处于n=3, 1=0, s=l/2, j=l/2的能级 状态，这是钠原子的基本光谱项，32p3/2和32p1/2是钠原子的两个激发态 光谱项符号。由于一条谱线是原了的外层电了在两个能级z间跃迁产生的，故原了的能级 可用两个光谱项符号表示。例如，钠原了的

19、双线可表示为：na 588. 996nm32s1/2 > 32p3/2na 589.593nm32s1/2 > 32p/2根据量了力学的原理，电了的跃迁不能在任意两个能级z间进行，而必须遵 循一定的“选择定则”，这个定则是：1,!二0或任意止整数；2, a l= ± 1跃迁只允许在s项和p项，p项和s项或d项z间，d项和p项 或f项z间，等;3, s二0,即单重项只能跃迁到单重项，三重项只能跃迁到三重项，等；4, j二0, ±1。但当j二0时j二0的跃迁是禁阻的。把原子中所冇可能存在状态的光谱项一能级及能级跃迁用图解形式表示出來，称为能级图。原子谱线表中，罗马数

20、i表示中性原子发射光谱的谱线，ii表示一次电离离子发射的谱线,111表示二次屯离离子发射的谱线例如mg i 285. 21mn为原子线, mgii280. 27nm为一次屯离离子线。附录2:主要元素分析线及可能的干扰范围元素波长a碳电弧中的 灵敏度(%)干扰线fe3020. 640.012599. 570. 0012599. 400. 0012598. 850. 003301&980. 13016. 190.32901.921.02904. 1632866. 6310cu3273.96t0. 0001大量mn、ca存在时谱线变形，0.03%以下用 此线。3247. 5410. 0001

21、mn3247. 54(0. 1%)2824. 07t0. 030. 03%以上此线受mn带的影响2392.63t0.32978. 2713na5895. 92t5889. 95t0.00010.00013302.3213302.9910. 030. 03zn3302.59, zn3302.94 及la> cr弱线十扰2852.8312853. 0310. 030. 03mg2852.132680. 3412680. 44111pb2803. 0710. 0010.01%以下用此线,mg2802. 70(10%)2802. 1010. 0012873. 3210.012663. 1710.

22、012393. 7910. 10.01%以上用此线2401.9511.02657. ill5.0zn3345.021mo3344. 75 (0. 1%)mn3345. 35 (1%)3345. 5710. 01ca3345. 51 (10%)3345. 93tt13282. 33(0. 1%)3282.33t0. 03301& 35112670. 55t10附录3：人体内各种宏量元素和微量元素的标准含量元素人体含量(g)所占体重元素人体含量(g)所占体重的氧045000. 065.00钙ca1050. 01.50碳c12600. 018. 00磷p700.01.00mh10. 00硫s175.00.25氮n2100.03.00钾k140.00. 20钠na105.00. 15钛ti<0.015<2. 1x10'5氯cl105.00. 15鎳ni<0.0101.4x2镁mg35.00. 05硼