发射光谱法
原子发射光谱法原理
原子发射光谱法原理原子发射光谱法是一种常用的分析化学方法，它利用原子在高温条件下激发产生的特征光谱来分析物质的成分。
该方法具有灵敏度高、选择性好、分辨率高等优点，被广泛应用于金属材料、环境监测、生物医学等领域。
本文将介绍原子发射光谱法的基本原理及其应用。
首先，我们来了解一下原子发射光谱法的基本原理。
在原子发射光谱法中，样品首先被加热至高温，使得其中的原子处于激发态。
当原子返回基态时，会释放出特定波长的光子，形成特征光谱。
通过检测和分析这些特征光谱，就可以确定样品中各种元素的含量。
这一过程基于原子的能级结构和光谱学原理，因此能够实现对元素的高灵敏度分析。
原子发射光谱法具有很高的灵敏度，这是因为原子在高温条件下能够被有效激发，产生大量的特征光谱。
同时，该方法还具有很好的选择性，不同元素的特征光谱具有明显的区分度，可以准确地识别不同元素。
此外，原子发射光谱法的分辨率也很高，能够实现对元素含量的精确测定。
在实际应用中，原子发射光谱法被广泛应用于金属材料分析领域。
例如，对于钢铁行业来说，原子发射光谱法可以用于快速准确地检测各种合金中的元素含量，保证产品质量。
此外，该方法还可以应用于环境监测，例如对水质中重金属元素的检测。
在生物医学领域，原子发射光谱法也被用于对生物样品中微量元素的分析，为临床诊断提供支持。
总的来说，原子发射光谱法是一种重要的分析化学方法，具有高灵敏度、良好的选择性和高分辨率等优点。
通过对样品中的原子激发特征光谱的检测和分析，可以实现对元素含量的准确测定。
该方法在金属材料、环境监测、生物医学等领域都有着重要的应用价值，为相关领域的研究和生产提供了有力支持。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地理解原子发射光谱法的原理及其应用。
原子发射光谱法
b
弧焰示意图
第二节 仪器装置
原子发射光谱仪
光源
分光仪
检测器
壹
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。
肆
类型：直流电弧、交流电弧、电火花、电感耦合高频等离子体（ICP）
叁
要求：灵敏度高、稳定性好、结构简单、操作安全
较好
试样中低含量组分的定量分析
火花
低
瞬间10000
好
金属与合金、难激发元素的定量分析
ICP
很高
6000~8000
很好
溶液定量分析
2.2 分光仪
1
分光仪的作用是将样品在激发光源中受激发而发射出来的含各种波长谱线的复合光，经色散后得到按波长顺序排列的光谱。 按色散元件及分光原理分为：棱镜光谱仪（折射原理）、光栅光谱仪（衍射原理）
1.2 原子发射光谱的产生
在正常状态下，元素处于基态，元素在受到热（火焰）或电（电火花）激发时，由基态跃迁到激发态，返回到基态时，发射出特征光谱（线状光谱）
特征辐射
基态元素M
激发态M*
热能、电能
E
原子的共振线与离子的电离线
激发电位：从低能级到高能级需 要的能量（eV） 共振线：具有最低激发电位的谱线 电离电位：使原子电离所需要的最低能量 离子线：离子外层电子跃迁时发射的谱线 离子线激发电位的大小与电离电位的高低无关 原子谱线表： I 表示原子发射的谱线； II 表示一次电离离子发射的谱线； III 表示二次电离离子发射的谱线； Mg：I 285.21 nm ；II 280.27 nm； 原子线(I) 离子线(II、III) 相似谱线 Na I、Mg II、Al III
原子发射光谱法和原子吸收光谱法的优缺点
原子发射光谱法（Atomic Emission Spectroscopy，AES）和原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS）是常用的分析方法，它们利用原子在能量激发下发射或吸收特定波长的光线来确定样品中的元素含量。
以下是它们的优缺点比较：一、原子发射光谱法优点：1. 灵敏度高：原子在激发后能发出强烈的荧光，使得检测灵敏度高。
2. 分辨率高：能够分离出元素的不同能级，对于元素的多种化合价态也有很好的分辨率。
3. 多元素分析：可以同时分析多种元素，适用于复杂样品。
4. 快速：仅需要几分钟即可得到结果。
缺点：1. 形成荧光需要外部能量输入，易受分析环境影响，如气体的压力和温度等。
2. 需要专业人员操作：仪器复杂，需要专业的技术人员进行操作和维护。
3. 样品处理复杂：由于样品需要被分解为原子态，因此需要严格的前处理过程。
4. 不能定量：由于荧光强度与供能的原子数不成比例，因此不能直接定量。
二、原子吸收光谱法优点：1. 灵敏度高：具有极高的检测灵敏度，尤其适用于微量元素的分析。
2. 定量性好：由于原子吸收的强度与元素浓度呈线性关系，因此可以直接定量。
3. 选择性好：由于不同元素的吸收谱线是独立的，因此可以区分不同元素。
4. 不受环境影响：对于气体和液体样品，只需要进行简单的前处理即可进行分析。
缺点：1. 只能测量单一元素：每个元素只有一个特定的吸收波长，因此只能测量一个元素。
2. 影响灵敏度的因素多：灵敏度受到多种因素影响，如化学基质等。
3. 仅限于溶液测量：由于需要将样品转化为气态原子，因此只适用于溶液样品。
4. 仪器复杂：仪器需要精密的光学部件以保证精确的测量结果。
无论是原子发射光谱法还是原子吸收光谱法，都有其独特的优点和缺点。
在选择分析方法时，需要考虑样品类型、分析目标和实验室条件等因素，并综合评估各种分析方法的优缺点，以选择最适合的方法。
原子发射光谱法的主要特点
原子发射光谱法的主要特点
原子发射光谱法（AES）是一种常用的材料分析方法，它具有以下主要特点：
1.精确性高：原子发射光谱法可以提供非常精确的元素定性定量信息。
通过使用复杂的仪器设备和先进的算法，可以准确地测量元素在样品中的浓度和分布。
2.灵敏度高：原子发射光谱法具有很高的灵敏度，可以检测到样品中微量的元素。
这使得该方法可以用于分析痕量元素，如金属杂质或合金成分。
3.选择性强：原子发射光谱法可以选择性地测量特定元素。
通过选择适当的激发条件和光谱线，可以仅对某些元素进行检测，而对其他元素不产生干扰。
4.线性范围宽：原子发射光谱法的线性范围很宽，可以从ppm（百万分之一）到ppb（十亿分之一）的浓度范围进行测量。
这使得该方法可以适应不同浓度的样品分析需求。
5.实验方法简单：原子发射光谱法的实验方法相对简单。
样品经过简单的制备和稀释后，可以直接进行分析。
这使得该方法在实验室中易于操作，并且适用于各种不同类型的样品。
总之，原子发射光谱法具有精确性高、灵敏度高、选择性强的特点，可以提供准确的元素信息，并适用于各种不同类型的样品分析。
原子发射光谱法(aes)
通过测量待测样品中某一元素的特征谱线强度，与已知浓度的标准样品进行比 较，大致确定待测样品中该元素的含量范围。
定性分析
谱线识别法
通过对比已知元素的标准谱线与待测样品的谱线，确定待测样品中存在的元素种 类。
特征光谱法
利用不同元素具有独特的特征光谱，通过比对特征光谱的差异，确定待测样品中 存在的元素种类。
电热原子化器利用电热丝加热 ，使样品中的元素原子化。
化学原子化器利用化学反应将 样品中的元素转化为气态原子
。
光源
01 光源用于提供能量，使样品中的元素原子 化并产生光谱信号。
02 光源类型有多种，如电弧灯、火花放电灯 等。
03
电弧灯利用电弧放电产生高温，使样品中 的元素原子化。
04
火花放电灯利用高压电场使气体放电，产 生高温，使样品中的元素原子化。
原子发射光谱法(AES)
目 录
• 原子发射光谱法(AES)概述 • AES的仪器与设备 • AES的样品制备与处理 • AES的分析方法与技术 • AES的优缺点与挑战 • AES的未来发展与展望
01 原子发射光谱法(AES)概 述
定义与原理
定义
原子发射光谱法(AES)是一种通过测量物质原子在受激发态跃迁时发射的特定波长的光来分析物质成分的方法。
02
发射光谱仪通常包括电 子激发源、真空系统、 光学系统、检测器等部 分。
03
电子激发源用于产生高 能电子，激发原子或离 子，使其跃迁至激发态。
04
真空系统用于维持仪器 内部的高真空环境，减 少空气对光谱信号的干 扰。
原子化器
01
02
03
04
原子化器是将样品转化为原子 蒸气的装置。
原子发射光谱法
最后线 是指当样品中某元素的含量逐渐减少时，最 后仍能观察到的几条谱线。
谱线强度
I = A CB
赛伯－罗马金公式
影响谱线强度的因素：
激发电位 统计权重 原子密度
跃迁几率 光源温度 其他因素
仪器
光源
单色器
熔融、蒸发、 离解、激发
分光
检测器 检测
围要大，对于ICP而言准确性也较高。有些元素原子吸收是无 法测定的，但发射可测，如P、S 等；（3）AAS比较普遍，其
价格相对AES便宜，操作也比较简单。
AES理论基础
❖ 原子结构及原子光谱的产生 ❖ 原子的激发和电离 ❖ 谱线强度
原子结构及原子光谱的产生
❖ 原子结构 ❖ 原子光谱的产生
原子结构及原子光谱的产生
激发光源。 ❖ 在一定频率的外部辐射光能激发下，原子的外层电子在由一个
较低能态跃迁到一个较高能态的过程中产生的光谱就是原子吸
收光谱 （AAS)。 ❖ （1）一般来说AES在多元素测定能力上优于AAS，但是AES在
操作上比AAS来的复杂；还有就是AES由谱线重叠引起的光谱
干扰较严重，而AAS就小的多 ；（2）原子发射比吸收测定范
AES的发展简史
❖ 定量分析阶段 20世纪30年代，罗马金(Lomakin)和赛伯(Scheibe) 通过实验方法建立了谱线强度(I)与分析物浓度(c) 之间的经验式--- I = A CB 从而建立了AES的定量分析法。
❖ 等离子光谱技术时代
20世纪60年代，电感耦合等离子体(ICP)光源的 引入，大大推动了AES的发展。
激发光源
激发光源的作用及理想光源 光源 光源选择
原子发射光谱法原理及利用
原子发射光谱法原理及利用原子发射光谱法（Atomic Emission Spectrometry，AES）是一种常用的材料分析方法，其主要通过对样品中元素产生的光子特征进行检测和分析，进而实现对样品中元素的定性和定量分析。
本文将主要介绍原子发射光谱法在元素分析、化学态分析、表面分析、合金分析和质量检测等方面的原理及应用。
1.元素分析原子发射光谱法在元素分析方面的应用主要体现在对样品中元素的种类进行识别和定量测定。
其基本原理是每种元素都具有独特的原子结构，因此会在特定的能量条件下发射出具有特征波长的光子。
通过对这些光子的检测和分析，可以确定样品中含有的元素种类。
在具体实践中，原子发射光谱法通常与火花、电弧或激光等激发源配合使用，以产生足够的光子用于检测。
该方法可以同时检测多种元素，且具有较高的灵敏度和准确性。
例如，在地质学领域，原子发射光谱法常用于测定岩石、矿物等样品中的常量、微量和痕量元素。
2.化学态分析原子发射光谱法在化学态分析方面的应用主要是通过对元素产生的化学键合状态进行分析，以了解元素的化合物组成和结构等信息。
不同化学态的同一种元素在原子发射光谱法中可能会表现出不同的特征波长，这是因为不同的化学键合状态会导致元素的原子结构发生变化。
例如，在环境科学领域，原子发射光谱法可用于分析水样或土壤样品中的重金属元素及其化学形态，以了解这些元素对环境的污染程度和生物毒性的影响。
3.表面分析原子发射光谱法在表面分析方面的应用主要是通过对样品表面的元素组成和化学状态进行分析，以了解样品的表面形貌、表面化学成分和结构等信息。
原子发射光谱法可以应用于各种材料的表面分析，如金属、合金、陶瓷、高分子材料等。
在具体实践中，原子发射光谱法通常与离子束铣削、等离子体刻蚀等手段结合使用，以制备干净的表面样品并进行深入的分析。
例如，在材料科学领域，原子发射光谱法可用于研究材料的表面氧化、腐蚀等行为，以及表面涂层的质量检测和评估。
发射光谱法
子数，磁量子数m，自旋量子数s。
原子的能级
主量子数 n， 即核外的电子壳层，第一层最
多2个电子，第二层最多8个电子…；
角量子数 ，电子亚层，即 s ， p ， d ， f 等
电子轨道。
磁量子数m，电子云在空间伸展的方向， s
第五章 发射光谱法
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 原子发射光谱法 电感耦合等离子体发射光谱 荧光光谱法 原子荧光分析法 X－射线分析法
第一节 原子发射光谱法
原子发射光谱法利用了原子光谱的全部信 息特点，其信息品质好、信息量多、适合定性 分析，可同时分析几种甚至几十种元素。
原子发射光谱利用的信息是由激发态的粒子 产生，其发射强度受很多因素影响，因而在定 量分析中的应用效果略差。
共振线：由激发态直接跃迁到基态所发射的谱线。
第一共振线：由最低激发态跃迁到基态发射的谱线。
通常是最强的谱线。
原子光谱
电子从高能量激发态也可以回到为光谱定 则所允许的各个较低的激发状态，从而发射出 各种波长的谱线。 每种元素都有许多条发射谱线。 例如：结构最简单的氢原子，在紫外可见区 现在已经发现的谱线有 54 条。对于结构比较复 杂的原子，如Fe，W等元素，已知它们的谱线有 5000多条。
52G9/2.7/2 … n2G9/2.7/2
原子的能级
②、能级图
能级图：把原子中各种可能的光谱项和能 级间的跃迁，用图解的形式表现出来就是原子 的能级图。
原子能级跃迁选择定则：据量子力学原理，电子在两 个能级间的跃迁必须遵循一定的选择定则： (1) 主量子数的变化，Δn为整数，包括0。 (2) 总角量子数的变化，ΔL＝±1。 (3) 内量子数的变化,ΔJ＝0 ,±1，但当J＝0 时,ΔJ＝0的 跃迁时不允许的。 (4) 总子旋量子数的变化， ΔS＝ 0 ，就是不同多重性状 态之间的跃迁是禁戒的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Nj/N0
2000K
3000K
4.31×10-4
7.19×10-3
1.68×10-4
3.84×10-3
0.99×10-5
5.83×10-4
6.83×10-4
5.19×10-4
1.22×10-7
3.55×10-5
2.29×10-9
1.31×10-6
6.03×10-10
8.99×10-7
4.82×10-10
…
4
42S1/2 42P3/2.1/2 42D5/2.3/2 42F7/2.5/2
…
5
52S1/2 52P3/2.1/2 52D5/2.3/2 52F7/2.5/2 52G9/2.7/2Leabharlann ……………
…
……
n
n2S1/2 n2P3/2.1/2 n2D5/2.3/2 n2F7/2.5/2 n2G9/2.7/2 …
当原子的外层为一个电子时，其能级可
通过四个量子数来描述。主量子数n，角量 子数 ，磁量子数m，自旋量子数s。
原子的能级
主量子数n，即核外的电子壳层，第一层最
多2个电子，第二层最多8个电子…；
角量子数 ，电子亚层，即s，p，d，f等
电子轨道。
磁量子数m，电子云在空间伸展的方向， s
电子云为球形对称；p电子云在三个空间方向上伸 展，为哑铃形对称…；
自旋量子数s，电子的自旋方向；
2、原子能级的表示方法
原子的能级
① 能级项： 原子的能级通常用符号n(2S+1)LJ来表 示，称为能级项。每组不同的n(2S+1)LJ值代表一个不 同的能级。
n是指外层电子的主量子数， L是外层电子的总轨道角量子数， S是外层电子的总自旋量子数，(2S+1)是表示谱线多重性的 符号。由于角量子数L与自旋量子数S之间的电磁相互作用， 可产生(2S+1)个能量稍微有所不同的能级分裂，是产生光谱多 重线的原因。
第五章 发射光谱法
第一节 原子发射光谱法 第二节 电感耦合等离子体发射光谱 第三节 荧光光谱法 第四节 原子荧光分析法 第五节 X－射线分析法
第一节 原子发射光谱法
原子发射光谱法利用了原子光谱的全部信 息特点，其信息品质好、信息量多、适合定性 分析，可同时分析几种甚至几十种元素。
原子发射光谱利用的信息是由激发态的粒子 产生，其发射强度受很多因素影响，因而在定 量分析中的应用效果略差。
6.65×10-7
3.35×10-11
1.50×10-7
7.45×10-15
5.50×10-10
从上表可知，在火焰原子化过程 中，产生激发态原子的数目，决定于 火焰的温度和原子的激发能。温度越 高，NJ/N0越大；同一温度，激发能越 低，共振波长越长，激发态的原子数 也就越大。
(三)、原子光谱
原子光谱
温度开始升高时，气体中的各种粒子、电子 等运动速度加快，增强了非弹性碰撞，原子被 激发的程度增加，谱线强度增强。超过某一温 度之后，电离度增加，原子谱线强度渐渐降低， 离子谱线强度逐渐增强。
每种元素都有许多条发射谱线。 例如：结构最简单的氢原子，在紫外可见区 现在已经发现的谱线有54条。对于结构比较复 杂的原子，如Fe，W等元素，已知它们的谱线有 5000多条。
2、谱线强度
谱线强度影响因素
谱线强度与激发态的能级、激发时的温度、 基态原子数等因素有关。
（1）激发态能级 谱线强度与激发态能级的能量是负指数关系，
k 是 波 茨 曼 常 数 (1.38*10-16erg·K-1) ； T
为绝对温度。
几种元素在不同温度下激发态与基态的 原子数比值
元素
Cs K Na Ba Ca Fe Ag Cu Mg Zn
共振线
nm 852.11 766.49 589.00 553.56 422.67 371.99 328.07 324.75 285.21 213.86
J为内量子数，指电子在外磁场作用下，每一能级可能 被分裂成的子能级数目，它决定多重线中各谱线的强度比。
原子的能级
例：钠原子，其外层为一个电子，基态为3S， 它可能的能级项见下表。
钠原子光谱中可能的能级项(n(2S+1)LJ)：
nL S
P
D
F
G…
3
32S1/2 32P3/2.1/2 32D5/2.3/2
原子的能级
能级图
(二)、基态和激发态原子的分配关系
在一定的温度下，物质激发态的原子数与基态
的原子数有一定的比值，并且服从波茨曼分布定律：
Nj/N0=gj/g0
e
[-(E -E )/kT] j0
式中：N0、Nj 为基态和激发态原子数； g0、gj为基态和激发态的统计权重，其值
为(2J+1)，
J为内量子数；E0、Ej分别为基态和激发 态原子的能量；
②、能级图
原子的能级
能级图：把原子中各种可能的光谱项和能
级间的跃迁，用图解的形式表现出来就是原子 的能级图。
原子能级跃迁选择定则：据量子力学原理，电子在两 个能级间的跃迁必须遵循一定的选择定则：
(1) 主量子数的变化，Δn为整数，包括0。 (2) 总角量子数的变化，ΔL＝±1。 (3) 内量子数的变化,ΔJ＝0 ,±1，但当J＝0 时,ΔJ＝0的 跃迁时不允许的。 (4) 总子旋量子数的变化，ΔS＝0，就是不同多重性状 态之间的跃迁是禁戒的。
第一节 原子发射光谱法
一、基本原理 二、原子发射光谱仪 三、原子发射光谱的定性
和定量分析方法
一、基本原理
由原子产生的光谱有： 基于原子外层电子跃迁而建立的原子
发射、原子吸收、原子荧光三种； 基于原子内层电子仪器的X荧光； 基于原子核与r射线的相互作用而建立
的莫斯鲍尔谱等。
（一）原子的能级
原子的能级是原子在不同状态下所 具有的能量，即原子中电子所处的能量 状态。
激发能级越高，能量越大，谱线强度越小。
原因：随着激发态能级的增高，处于该激发 态的原子数迅速减少，释放谱线的强度降低。
激发能量最低的谱线往往是最强线(第一共振线)。
（2）激发温度T
谱线强度影响因素
谱线强度与温度之间的关系比较复杂。温度 既影响激发过程、又影响电离过程。
原子谱线强度随温度的升高，先是增强，到 达极大值后又逐渐降低。
1.原子发射光谱的产生 处于激发态的电子跃迁回到基态时，辐射一定
能量，得到一条波长与辐射能量相对应的发射谱线。 共振线：由激发态直接跃迁到基态所发射的谱线。 第一共振线：由最低激发态跃迁到基态发射的谱线。 通常是最强的谱线。
原子光谱
电子从高能量激发态也可以回到为光谱定 则所允许的各个较低的激发状态，从而发射出 各种波长的谱线。