原子光谱分析的理论和特点分析

朱林婕+王周琴

摘要：原子光谱分析是测量物质化学成分及其含量的一种重要方法。本文从原子物理的基本概念出发，分析了原子的发射光谱和吸收光谱，并对原子光谱分析的特点进行了总结。这一研究对原子光谱分析的实际应用具有参考价值。

关键词：原子光谱；发射光谱；吸收光谱

一、引言

光谱学是光学的一个分支学科，其主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱就是电磁波的波长及强度分布情况的记录，有的光谱可能只有波长分布的情况。按照光谱的形状来区分，光谱可以分为三种：线状光谱、带状光谱和连续光谱。根据玻尔理论，原子发射的光谱就是线状光谱，这种光谱的谱线是分明的，波长的数值有一定的间隔。光谱根据产生原理不同，可分为吸收光谱和发射光谱两种。直接记录由光源发射出的光线的光谱称为发射光谱。而吸收光谱的观测方法则与发射光谱不同，先把物质的一部分放在连续光谱的下面，使连续光谱先通过物质再进入光谱仪。这时候连续光谱中的一部分谱线会被物质吸收，光谱透过之后就会发现，原本连续的光谱会有一些谱线消失，这些消失的谱线就是物质的吸收光谱。

通过光谱的研究，人们可以得到原子的能級结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质等多方面的物质结构知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。根据物质的发射光谱或吸收光谱区别物质以及确定化学成分和各组成成分相对含量的方法称为光谱分析。而只依靠原子的特征发射光谱来研究鉴别物质的结构及各个组成成分的相对含量的方法则称为原子发射光谱分析。

二、原子的发射光谱和吸收光谱

由玻尔理论可知，原子内部的能级是处于分离状态的。原子中的电子在能级之间跃迁只有通过吸收或发送一定量的能量才能完成。如果给原子或离子一定能量的作用，原子的外层电子将会获得这部分能量，并从较低的能级跃迁到较高能级，这时候原子将会处在一个激发的状态，称为吸收光谱。但是这个状态是不稳定的，经过一段时间会释放能量，重新回到原来的稳定状态，称为发射光谱。原子或离子获得的能量称作激发能或者激发电位，单位是电子伏特eV或cm-1。处在高能级上的电子是不稳定的，在较短的时间内会重新跃迁到原来的能级或其他较低能级，在跃迁的过程中会发射出一定波长的光，在光谱中产生一条谱线，波长或者频谱和能级差满足玻尔能级跃迁公式。同原子发射光谱一样，原子的外层电子要想由较低的能级跃迁到较高能级，则需要吸收一定的能量，因此吸收一定波长的光，在光谱中将会消失一条谱线，波长同发射光谱的波长公式相同。

三、原子光谱分析的理论和特点

根据操作的过程可以将原子发射光谱分析大致分成三个步骤，分别是激发、分光和检测。第一步是使用激发光源使样品蒸发汽化，解离或分离为原子状态，然后继续电离原子使之电离为离子状态，样品电离成离子状态后可以在光源的激发下发光。第二步是利用光谱仪记录样品发射出的光谱。最后一步是利用光学器件检测光谱，按照记录的光谱波长对样品进行定性分析，或者按照发射光谱的强度进行定性分析。

光谱分析在实际生产应用中的巨大作用，与其自身的特点有着密切的关系。

1.分析速度快

在铸铁时使用原子发射光谱分析，能在极短的时间内同时得到几十种元素的分析结果。

2.操作简单

通常情况下，样品可以不经过化学方法处理，直接对其使用光谱分析，再与计算机技术相结合，最后只要简单地使用计算机，就能自动地进行分析、数据处理和打印处理结果。在气体检测中，不需要采集样品，并且能够在极短的时间内得到结果从而判断大气质量的情况。

3.不必得到纯净的样品

只要利用已经得知的谱线图就能进行光谱分析，从而减少对样品的处理时间，这是光谱分析突出的优点。

4.可以同时检测多种元素

光谱分析不像其他分析，需要将样品进行分离才能分析，因此可以省去分离操作这个复杂的程序，并能够同时检测多种元素。

5.有极好的选择性

对于那些化学组成及化学性质相似的元素和物质，如硅、碳等同族元素，它们的谱线是相互独立且互不影响的，因此光谱分析是分析这些元素十分有效的方法。

6.极高的灵敏度

最新的数据表明，光谱分析的相对灵敏度最高可以达到十亿分之一，绝对灵敏度最高也可以达10-9g。

7.对样品损坏小

因为光谱分析对样品几乎没有损害，因此在古物检测或是刑事侦查等方面有着举足轻重的作用。

然而光谱分析也有一些不足之处，如必须有一套精确的数据作为基本标准，并且要求被分析样品的结构及成分和标准样品大致相同才可以，这样往往使得光谱分析的应用变得比较困难。

参考文献：

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]辛仁轩.等离子体发射光谱分析[M].北京：化学工业出版社，2011.

[3]邓勃.原子吸收光谱分析的原理、技术和应用[M].北京：清华大学出版社，2004.endprint