第1节 原子发射光谱分析基本原理1
原子发射光谱法dfoi
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第二节 仪 器
穿电压”。要使空气中通过电流，必须要有很高的电压， 在1atm压力下，若使1mm的间隙中发生放电，必须具 有3300V的电压。
如果电极间采用低压（220V）供电，为了使电极间 持续地放电，必须采用其它方法使电极间的气体电离。 通常使用一个小功率的高频振荡放电器使气体电离，称 为“引燃”。
式中Ni为单位体积内处于高能级i的原子数，Aij为i、j两能 级间的跃迁几率，h为普朗克常数， ij为发射谱线的频率。
若激发是处于热力学平衡的状态下，分配在各激发态 和基态的原子数目Ni 、N0 ，应遵循统计力学中麦克斯韦-
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第一节 基本原理
玻兹曼分布定律。 Ni = N0 gi/g0e (-E / kT)
n2s+1LJ
核外电子在原子中存在运动状态，可以用四个量子 数n、l、m、ms来规定。
主量子数n决定电子的能量和电子离核的远近。
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第一节 基本原理
角量子数l 决定电子角动量的大小及电子轨道的形状， 在多电子原子中也影响电子的能量。
磁量子数m决定磁场中电子轨道在空间的伸展方向不 同时电子运动角动量分量的大小。
自持放电发生后，为了维持放电所必需的电压，称 为“燃烧电压”。燃烧电压总是小于击穿电压，并和放 电电流有关。气体中通过电流时，电极间的电压和电流 的关系不遵循欧姆定律，其相应的关系如 电流
气体放电中电压和电流曲线
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第二节 仪 器
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
原子中某一外层电子由基态激发到高能级所需要的能
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第一节 基本原理
量称为激发电位。原子光谱中每一条谱线的产生各有其 相应的激发电位。由激发态向基态跃迁所发射的谱线称 为共振线。共振线具有最小的激发电位，因此最容易被 激发，为该元素最强的谱线。
原子发射光谱分析基本原理
组成
• 光源 • 样品室 • 分光器 • 检测器
工作原理
光源激发样品，样品产生特定光谱线，经过分光器 分离并检测到光强度，然后分析得到样品组成。
光源的选择和调节
1 选择
根据需要的波长范围和光强度选择适合的光源类型，如灯丝和镧系灯。
2 调节
根据样品的需求和分析要求，调节光源的电流和功率，以及光源和样品的距离。
原子发射光谱分析基本原 理
原子发射光谱分析是一种基于原子的能级跃迁和光谱特征的分析方法。本文 将介绍其原理、仪器、样品处理方法、应用范围以及未来的改进方向。
什么是原子发射光谱分析
原子发射光谱分析是一种通过检测原子激发态和基态之间的能级跃迁所产生 的特定光谱线来分析样品组成的方法。
原子的能级和电子结构简介
原子的能级是电子在原子内的特定能量状态，电子结构是描述电子在不同能 级上分布的方式。
原子光谱的种类及区别
原子发射光谱
分析样品中出射的光的波长和强度，用于定性和定量分析。
原子吸收光谱
测量样品吸收入射光的波长和强度，用于定量分析。
原子荧光光谱
测量样品返回的荧光光的波长和强度，用于元素分析。
光谱仪的组成和工作原理
标准品的制备和选择
标准品的制备要求纯度高且与待测样品相似，制备方法包括化学纯化、物理 纯化和稀释。选择标准品要考虑其适用范围和可信度。
样品的处理方法
1 前处理
2 样品溶解
去除样品中的杂质和干扰物。
将样品溶解在适当的溶剂中进行测量和分析，得出样品中各元素的含量和相对比例。
原子发射光谱分析基本原理
原子发射光谱分析基本原理原子发射光谱分析是一种常用的分析技术，用于确定物质中不同元素的存在和浓度。
基本原理是通过激发原子使其跃迁到高能级，然后原子从高能级退回到低能级时会发射出一系列特定的频率光线，这些光线就被称为发射光谱。
本文将详细介绍原子发射光谱分析的基本原理。
当原子处于高能级时，由于能量不稳定，原子会自发地退回到低能级。
在这个过程中，原子会发射出一定频率的光线。
这是因为原子的能级结构是离散的，每个能级对应不同的能量差和光频率。
各元素拥有独特的能级结构，因此每个元素会发射出特定的频率光线，形成一种独特的光谱指纹。
发射光谱的特点是谱线的亮度与元素浓度成正比。
因此，通过测量谱线的强度可以确定样品中该元素的浓度。
发射光谱分析可以在可见光、紫外光和红外光范围内进行。
原子发射光谱分析有两种主要的测量方式：线源测量和离散源测量。
线源测量是指使用等离子体火焰或火花放电等产生连续谱的激发源。
这种方法适用于多元素分析和测量大样品数量。
离散源测量是指使用电弧放电或激光脉冲等产生谱线的激发源。
这种方法适用于单元素测量和对样品数量要求不高的分析。
然而，原子发射光谱分析也存在一些局限性。
由于发射光谱需要样品激发和发射，对样品形式和形状要求较高。
此外，元素之间的相互作用和基体效应也会对分析结果产生影响，需要进行校正和修正。
总结起来，原子发射光谱分析是一种常用的化学分析技术，适用于多元素同时分析和不同浓度的测量。
通过测量发射光谱的强度可以确定元素的浓度。
然而，这项技术也有一定的局限性，需要对样品的形态和基体进行处理和修正。
尽管如此，原子发射光谱分析仍然是一种重要的化学分析方法，广泛应用于环境监测、食品检测和地质勘探等领域。
原子发射光谱的原理
原子发射光谱是一种用于研究原子的光谱分析方法，它基于原子在激发态和基态之间跃迁时所发射的特定波长的光线。
以下是原子发射光谱的基本原理：
激发原子：通过外部能量源（如火焰、电弧、激光等）提供能量，原子的电子从基态跃迁到高能级的激发态。
这种能量供应导致电子在原子内部跃迁到更高的能级。
跃迁发射：激发态的原子处于不稳定状态，电子倾向于回到较低的能级。
在这个过程中，原子会通过跃迁发射特定波长的光子，即光子能量与原子能级差之间的关系是定量的。
光谱测量：发射的光子经过分光仪或光谱仪分散成不同波长的光，并通过探测器进行测量和记录。
测量得到的光谱显示了不同波长的发射线，每条发射线对应于原子在不同能级之间跃迁所发射的特定波长。
通过分析原子发射光谱，可以获得关于原子的信息，包括元素的存在、浓度、能级结构和其他特性。
每个元素都有其独特的发射光谱，因此原子发射光谱可用于元素分析和识别，广泛应用于化学、物理、材料科学和环境监测等领域。
02.原子发射光谱法
原子发射光谱法原子发射光谱法(atomic emission spectroscopy,AES)是一种成分分析方法，可对约70种元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金属元素）进行分析。
第一节基本原理一、原子发射光谱的产生原子的外层电子由高能级向低能级跃迁，能量以电磁辐射的形式发射出去，这样就得到发射光谱。
原子发射光谱是线状光谱。
二、原子能级与能级图原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定：主量子数n；角量子数l；磁量子数m；自旋磁量子数m s；原子外层有多个电子时，其运动状态用：总角量子数L；总自旋量子数S；内量子数J描述；三、谱线强度原子由某一激发态i向低能级j跃迁，所发射的谱线强度与激发态原子数成正比。
在热力学平衡时，单位体积的基态原子数N0与激发态原子数N i的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律。
四、谱线的自吸与自蚀原子在高温时被激发，发射某一波长的谱线，而处于低温状态的同类原子又能吸收这一波长的辐射，这种现象称为自吸现象。
第二节仪器原子发射光谱法仪器常分为三部分：光源、分光系统和检测器。
一、光源光源具有使试样蒸发、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。
目前常用的光源有直流电弧、交流电弧、电火花及电感耦合高频等离子体（ICP）。
电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)电感耦合高频等离子炬的装置，由三部分组成：晶体控制高频发生器（用来产生和维持等离子体放电）进样系统（包括试样雾化器、供气系统）等离子炬管（三层同心石英玻璃管）等离子体焰炬的形成：当高频发生器接通电源后，高频电流I通过感应线圈产生交变磁场(绿色)。
管内磁力线沿轴线方向，管外磁力线成椭圆闭合回路。
开始时，管内为Ar气，不导电，需要用高压电火花触发，使气体电离后，在高频交流电场的作用下，带电粒子高速运动，碰撞，形成“雪崩”式放电，产生等离子体气流。
(仪器分析)11.1原子发射光谱分析法
11.1.3 原子发射光谱分析的应用
1. 元素的分析线、最后线、灵敏线
分析线：复杂元素的谱线可能多至数千条，只选择其中几 条特征谱线检验，称其为分析线； 最后线：浓度减小，谱线强度减小，最后消失的谱线； 灵敏线：最易激发的能级所产生的谱线，每种元素有一条 或几条谱线最强的线，即灵敏线。最后线也是最灵敏线； 共振线：由第一激发态回到基态所产生的谱线；通常也是 最灵敏线、最后线。
nmgmex pE(m/kT)
N
Z
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nmgmex pE(m/kT)
N
Z
Z 为温度 T 的函数，分析中的温度通常在2000～7000 K ，Z 变化很小，谱线强度为
I hc4g πm Z AN exE pm(/kT )
式中：Φ 是考虑在 4 球面角度上发射各向同性的常数。 Z 可视为常数，对于某待测元素，选定分析线后，T一定
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原子发射光谱分析法的特点:
(1) 可多元素同时检测:发射各自的特征光谱； (2) 分析速度快:试样不需处理，同时对几十种元素进行定 量分析。 (3) 选择性高 各元素具有不同的特征光谱； (4) 检出限较低：10～0.1gg-1(一般)； ngg-1(ICP）。 (5) 准确度较高：5%～10% (一般光源)；<1% (ICP) 。 (6) ICP-AES性能优越 线性范围4～6数量级，可测高、中 、低不同含量试样。 缺点：非金属元素不能检测或灵敏度低。
常见光源的种类和特点是什么？
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（1）直流电弧
电弧是指在两个电极间施加高电流密度和低燃点电压 的稳定放电。
石墨电极，试样放置凹槽内。试样量10～20mg。
两电极接触通电后，尖端被烧热，点 燃电弧，再使电极相距4 ～ 6mm。
等离子体-原子发射光谱分析
自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光，被外围 的基态原子所吸收，从而降低了谱线的强度。 此现象叫自吸。
自蚀：自吸严重时，中心部分的谱线 这个现象叫自蚀 。
将被吸收
很多，从而使原来的一条谱线分裂成两条谱线，
2. 定性方法 标准试样光谱比较法
铁光谱比较法：最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)。
I1 = a1 c1b1
I2 = a2 c2b2 相对强度 R = I1/I2 = A c1b1
lgR=b1lgc+lgA
A为其他三项合并后的常数项，内标法定量的基本关系式。
内标元素及内标线的选择原则： 内标元素 1）外加内标元素在分析试样品中应不存在或含量极微；如样 品基体元素的含量较稳时，亦可用该基体元素作内标。 2）内标元素与待测元素应有相近的特性（蒸发特性）。 3）同族元素，具相近的电离能。 内标线 1）激发能应尽量相近的分析线对，不可选一离子线和一原 子线作为分析线对（温度T对两种线的强度影响相反）； 2）所选线对的波长及强度接近； 3）无自吸现象且不受其它元素干扰；
六、 原子发射光谱分析法特点与应用
1. 特点 优点： (1)可多元素同时检测 (2)分析速度快
(3)选择性高
(4)检出限较低 10～0.1gg-1(一般光源)；ngg-1(ICP） (5)准确度较高 相对误差 5%～10% (一般光源）； <1% (ICP)
缺点：影响谱线强度的因素较多；含量（浓度）较大时，准
几个概念 激发电位（或激发能）：原子由基态跃迁到激发态时 所需要的能量 。 电离：当外加的能量足够大时，原子中的电子脱离原子 核的束缚力，使原子成为离子，这种过程称为电离。 一级电离电位：原子失去一个电子成为离子时所需要的 能量称为一级电离电位。
原子发射光谱的分析基本原理
应用案例和实验结果
元素分析
使用原子发射光谱技术对不同 样品中的元素进行分析，例如 水、土壤和金属合金。
环境监测
质量控制
检测大气中的重金属和污染物， 以实时监测环境质量。
在制药和食品行业中使用原子 发射光谱技术进行产品质量控 制和合规性检查。
选择合适的光源和谱线
1 光源选择
2 谱线选择
3 光谱范围
根据要分析的元素选择 适合的光标元素的能级结 构，选择具有明确且强 度适中的谱线。
确定测量的光谱范围， 以确保目标元素的谱线 能够完全包含在内。
标定和校准
为了获得准确的分析结果，必须进行标定和校准。标定使用已知浓度的标准溶液，而校准使用一系列浓 度不同的标准溶液，以建立浓度和信号强度之间的关系。
光源和谱线选择
2
选择合适的光源和谱线，以使目标元
素能够发射明确的光谱线。
3
数据分析
4
对测量得到的光谱数据进行分析和解 释，以得出样品中元素的含量和分布。
样品制备
准备样品并将其转化为气态、溶液或 固态形式，以便于进一步的处理和测 量。
光谱测量
使用光谱仪器测量样品发射的光谱， 并记录光谱线的波长和强度。
检测大气、水体和土壤中的污染物，以保护环境和人类健康。
食品安全
检测食品中的重金属和其他有害物质，确保食品的安全和质量。
原子发射光谱的基本原理
1 激发和跃迁
通过能量输入将原子激发到高能级，然后跃迁回基态时会发射特定频率的光。
2 能级结构
每个元素都有独特的能级结构，导致它们发射特定的光谱线。
3 谱线特征
原子发射光谱的分析基本 原理
原子发射光谱是一种重要的光谱分析技术，它通过观察物质发射的光谱来获 取元素的信息。了解这个基本原理可以帮助我们在许多领域中应用它，例如 化学、材料科学和环境监测。
原子发射光谱法
第九章原子发射光谱法第一节原子发射光谱分析基本原理一、原子发射光谱的产生物质是由各种元素的原子组成的，原子有结构紧密的原子核，核外围绕着不断运动的电子，电子处在一定的能级上，具有一定的能量。
从整个原子来看，在一定的运动状态下，它也是处在一定的能级上，具有一定的能量。
在一般情况下，大多数原子处在最低的能级状态，即基态。
基态原子在激发光源（即外界能量）的作用下，获得足够的能量，外层电子跃迁到较高能级状态的激发态，这个过程叫激发。
处在激发态的原子是很不稳定的，在极短的时间内（10－8s）外层电子便跃迁回基态或其它较低的能态而释放出多余的能量。
释放能量的方式可以是通过与其它粒子的碰撞，进行能量的传递，这是无辐射跃迁，也可以以一定波长的电磁波形式辐射出去，其释放的能量及辐射线的波长（频率）要符合波尔的能量定律：式中，E 2及E1分别是高能态与低能态的能量，E p为辐射光子的能量，、、分别为辅射的频率、波长、波数，c为光速，h为普朗克常数。
必须明确如下几个问题：★原子中外层电子（称为价电子或光电子）的能量分布是量子化的，所以△E 的值不是连续的，则或也是不连续的，因此，原子光谱是线光谱；★同一原子中，电子能级很多，有各种不同的能级跃迁，所以有各种△E不同的值，即可以发射出许多不同或的辐射线。
但跃迁要遵循“光谱选律”，不是任何能级之间都能发生跃迁；★不同元素的原子具有不同的能级构成，△E不一样，所以或也不同，各种元素都有其特征的光谱线，从识别各元素的特征光谱线可以鉴定样品中元素的存在，这就是光谱定性分析；★元素特征谱线的强度与样品中该元素的含量有确定的关系，所以可通过测定谱线的强度确定元素在样品中的含量，这就是光谱定量分析；★有关术语：激发电位（激发能）:原子中某一外层电子由基态激发到高能态所需要的能量，称该高能态的激发电位，以电子伏特（eV）表示；电离电位（电离能）:把原子中外层电子电离所需要的能量，称为电离电位，以eV表示；共振线:原子中外层电子从基态被激发到激发态后，由该激发态跃迁回基态所发射出来的辐射线，称为共振线。
原子发射光谱分析的基本原理
光源特性对比表
3 . 定性及定量分析
定性及定量分析
定性分析 每一种元素的原子都有其特征 光谱：
E = h = hc/
根据特征光谱定性，不仅要给 出哪些元素存在，而且要给出 其大致的含量
定量分析 在条件一定时，谱线强度I与 待测元素含量c关系为：
I=acb
发射光谱分析的基本关系式， 称为塞伯-罗马金公式
适用于固体定量分析
光源
4.电感耦合等离子体，I C P
利用高频磁场原理感应加热使 流经石英管的工作气体电离而 产生的火焰状等离子体
三层同心石 英玻璃管
特点
优点：温度高，惰性气氛，有利于难熔 化合物的分解和元素激发，有很高的灵 敏度和稳定性，具有“趋肤效应” ，有 效消除自吸现象。 缺点：非金属测定的灵敏度低
基态原子 高能态E2）
E = E2 - E1 = h =hc /
普朗克定律
2 . 原子发射光谱仪的结构
原子发射光谱仪的构成
分光系统 单色器
光源 原子化和激发 双重功能
观测系统 检测器
光源
光源的种类及特点 经典光源 现代光源
火焰 电弧 火花
直流电弧 交流电弧
电感耦合等离子体，ICP 激光光源
光源
1. 直流电弧
在两个石墨电极间施加高电流密 度和低燃点电压的稳定放电形成 电弧，激发样品
特点
弧焰温度可达4000～7000K ，能使约 70多种元素激发。 优点：绝对灵敏度高，背景小，适合固 体定性分析。 缺点：弧光不稳，再现性差，易发生自 吸现象。
不适合定量分析
光源
2. 低压交流电弧
工作电压为110～220 V。每一交 流半周时引燃一次，保持电弧不 灭