Общий физический практикум : "Атомный эмиссионный спектральный анализ" (220,00 руб.)

Стр.1

Стр.3

Стр.6

Стр.7

Стр.8

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ: «АТОМНЫЙ ЭМИССИОННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ» Учебное пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2015 1

Стр.1

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 4 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ПРИРОДЫ АТОМНЫХ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ ............................................. 6 1.1. Строение атома. Постулаты Бора ......................................................... 6 1.2. Излучение и поглощение квантов света атомами ............................... 7 1.3. Абсолютная интенсивность спектральной линии .............................. 9 1.4. Основы качественного эмиссионного спектрального анализа ........ 10 2. ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМНЫХ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ ............ 13 2.1. Физика возбуждения атомного эмиссионного спектра .................... 14 2.2. Техника возбуждения атомных эмиссионных спектров в дуге ....... 18 2.3. Общее описание принципа работы генератора ИВС-29 и порядок работы с ним ....................................................................... 21 3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ АТОМНОГО ЭМИССИОННОГО СПЕКТРА .................................................................. 23 3.1. Основной принцип построения спектрального прибора для атомного эмиссионного спектра .................................................. 23 3.2. Общее рассмотрение теории дифракционной решетки ................... 26 3.3. Характеристики спектрального прибора для атомного эмиссионного анализа .......................................................................... 33 3.4. Спектрометр с плоской дифракционной решеткой PGS-2 .............. 38 4. ПРИНЦИПЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АТОМНЫХ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ ................................................................. 40 4.1. МОП-конденсатор как простейший элемент прибора с зарядовой связью ............................................................................... 42 4.2. Принципы работы приборов с зарядовой связью ............................. 45 4.3. Линейные ПЗС ...................................................................................... 53 4.4. Шумы в приборах с зарядовой связью ............................................... 55 5. ПОРЯДОК ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНЫХ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА PGS-2 И ПЗС-ЛИНЕЙКИ .......................................... 60 5.1. Подготовка пробы к анализу ............................................................... 60 5.2. Порядок подготовки к съемке и регистрация атомных эмиссионных спектров ......................................................................... 61 5.3. Порядок расшифровки полученных спектрограмм для качественного спектрального анализа ........................................ 66 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ................................................................... 67 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................... 68 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 68 3

Стр.3

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ПРИРОДЫ АТОМНЫХ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ 1.1. Строение атома. Постулаты Бора Согласно планетарной (ядерной) модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. По классической механике такая система может находиться в равновесии лишь при условии, что электроны обращаются вокруг ядра по эллиптическим орбитам. Но с точки зрения классической электродинамики такой атом неустойчив, так как при движении с ускорением электроны излучают электромагнитные волны и, следовательно, постепенно должны падать к ядру. При этом частота обращения будет непрерывно меняться, и спектр излучения такого атома должен получаться сплошным, а не в виде набора дискретных спектральных линий. Линейчатый спектр атомов противоречит классической электродинамике. Идея о квантах, высказанная Максом Планком в применении к обмену энергии между полем излучения и линейными осцилляторами, приобрела универсальное значение как выражение характерной особенности процессов внутриатомного мира. В основе квантовой теории строения атома, предложенной датским физиком Нильсом Бором, лежат следующие постулаты: 1. Постулат стационарных состояний: электрон в атоме может находиться только в определенных устойчивых состояниях называемых стационарными. Каждому стационарному состоянию соответствует строго определенная энергия, образуя дискретный ряд значений E1 < E2 < < E3 <…< En. В этих состояниях атом не излучает. Любое изменение энергии атома происходит скачкообразно из одного состояния в другое. 2. Правило частот: излучение или поглощение электромагнитной энергии атомом происходит в виде фотона только в результате перехода из одного стационарного состояния в другое с энергией: h ik = −Ei E k , (1.1) где Ei и Ek – энергия атома в исходном и конечном стационарных состояниях; νik – частота излучения при переходе из i-го состояния в k-е состояние, h = 6,62·10-27 Эрг·с – постоянная Планка (здесь и далее будем пользоваться системой Гаусса). В теоретических рассмотрениях атомных свойств применяют постоянную Планка в виде: ħ = h/2π = 1,054 Эрг·с. Если Ei > Ek – атом излучает квант электромагнитной энергии, а если Ei < Ek – происходит поглощение кванта. 6 ν

Стр.6

Заметим, что энергия электронов измеряется обычно в единицах, называемых электрон-вольтами (эВ). Эта единица равна энергии, приобретаемой электроном при прохождении в электрическом поле пути, разность потенциалов на концах которого равна одному вольту 1 эВ = = 1,602·10-12 Эрг. Длина волны излучения λ (нм) = 1240/Екв (эВ). 1.2. Излучение и поглощение квантов света атомами Атом можно представить в виде осциллятора, который находится только в некоторых избранных стационарных состояниях. Переход из одного стационарного состояния в другое может происходить скачком в результате излучения (поглощения) осциллятором такого же кратного количества энергии: E0, 2E0, 3E0,…, nE0, где E0, 2E0 = ħω = hν, а n – количество таких порций, испускаемых осциллятором на частоте ω. Динамическое равновесие осуществляется посредством постоянного обмена квантами между полем излучения и телом – осциллятором. То есть энергия микроскопических систем может принимать только дискретные, строго определенные значения. При данной температуре T возбуждены все энергетические уровни, но с разными вероятностями. Поэтому требуется вычислить среднюю энергию осциллятора в этом состоянии статистического равновесия. Вывод закона излучения по методу Планка во многом основан на законах классической физики и лишь частично использует квантовые представления. Поглощение и испускание света осциллятором рассчитывали с помощью классической электродинамики, в то время как для нахождения средней энергии осциллятора использовали квантовую гипотезу о его дискретных энергетических уровнях. А. Эйнштейн дал сравнительно простой вывод формулы Планка, используя для моделирования механизма излучения переходы в 2х-уровневой системе (рис. 1.1) и применив к описанию процессов вероятностный подход. Рис. 1.1. Переходы атома из одного энергетического состояния в другое с излучением и поглощением кванта излучения 7

Стр.7

Частота электромагнитного излучения из формулы (1.1), соответствующая этому процессу, равна mn = ()hEEn − m . (1.2) Переход n → m ведет к испусканию (эмиссии), а переход m → n – к поглощению (абсорбции) излучения. Другими словами, процесс излучения можно рассматривать как переход системы из состояния, характеризуемого верхним энергетическим уровнем, в состояние, которому соответствует нижний энергетический уровень или, как принято выражаться, переход с верхнего уровня на нижний уровень. То есть для такого элементарного процесса выполняется закон сохранения энергии: энергия испускаемого или поглощаемого фотона равна разности энергий соответствующих стационарных состояний. Полагаем, что концентрация атомов (число атомов в единице объема) в состоянии m = Nm, а в состоянии n = Nn. Согласно А. Эйнштейну, существуют два типа излучающих переходов из состояния n в состояние m, а именно – спонтанный (самопроизвольный) переход, происходящий без какого-либо внешнего воздействия на атом, и индуцированный, происходящий под влиянием внешнего излучения с частой νnm. Абсорбционный переход m → n может происходить лишь под влиянием внешнего излучения с частотой νnm. Спонтанное излучение носит статистический характер. Момент испускания фотона – величина случайная. То есть невозможно с высокой достоверностью предсказать, произойдет или нет в данном атоме переход в течение промежутка времени dt, следующего за моментом t, но можно только указать его вероятность. Пусть в момент времени t = τ в состоянии n находилось Nn атомов, а через промежуток времени dt часть атомов перешла в состояние m, а другая часть осталась в состоянии n. Тогда за время dt среднее число переходов n → m пропорционально числу атомов на верхнем уровне Nn: dN сп nm = A N dt . nm n (1.3) Коэффициент Amn – вероятность спонтанного перехода, хотя он отличен от математической вероятности, так как определяется в единицу времени и имеет размерность с-1. Если количество атомов Nn убывает с течением времени лишь за счет спонтанных переходов на нижележащие уровни, то зависимость Nn от времени описывается выражением 8 ν

Стр.8