Определение концентрации атомов в газе методом атомно-абсорбционной спектроскопии

Федеральное Агентство по образованию

Государственное Образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Ульяновский Государственные педагогический университет

Имени И.Н.Ульянова

Кафедра  общей физики

                                                Студентка 4 курса

                                      Дневного отделения

                                                               Физико-математического факультета

                              Калачёва О.В.

Определение концентрации атомов в газе методом атомно-абсорбционной спектроскопии

Курсовая работа

                                                                                                                                               Научный руководитель: кандидат

                                                           физико-математических наук,

                                                   доцент  Кудрявцев Ю Н. 

Ульяновск 2007

Оглавление:

Введение……………………………………………………………..…….....3

1. Глава 1   Теория атомно-абсорбционных измерений..............................6

    1.1 излучение и поглощения света……………………………………....6

    1.2 понятие линии поглощения и коэффициента поглощения ……… .8                                               

    1.3 контур линии поглощения………………………………………….10

    1.4 связь между коэффициентом поглощения в центре доплеровской

          линии (k) и концентрацией поглощающих атомов

           ( или давлением пара P)…………………………………………14

2.Глава 2  Лазеры…………………………………………………………..16

     2.1 Принцип работы лазера…………………………………………16

     2.2 Описание работы гелий-неонового лазера……………………..22

     2.3 Лазеры на органических красителях……………………………25

 3. Глава 3   Эксперимент…………………………………………………..30

 заключение…………………………………………………………………34

Список литературы…………………………………………………………35

1.ВВЕДЕНИЕ

Открытие и история исследований атомной абсорб­ции неразрывно связаны со всей историей спектроскопии и спектрального анализа. В 1802 г. Волластон, воспро­изведя опыт Ньютона по разложению сплошного сол­нечного спектра, впервые обнаружил, что если пучок солнечного света пропускать не через круглое отверстие в ставне, а через щель, то солнечный спектр оказывается пересеченным несколькими темными линиями. Однако это открытие не привлекло к себе внимания. Через 15 лет независимо от Волластона Фраунгофер снова обна­ружил темные линии в спектре Солнца, которые и полу­чили в честь него название фраунгоферовых.

Происхождение темных линий было установлено лишь в 1859 г. Кирхгофом. Кирхгоф впервые сделал от­четливый вывод о возможности определения химиче­ского состава вещества по спектрам. В совместных ра­ботах с Бунзеном Кирхгоф дал многочисленные при­меры применения спектров для определения щелочных металлов в пламени. Поэтому Бунзен и Кирхгоф спра­ведливо считаются основоположниками спектрального анализа.

В 1861 г. Кирхгофом была опубликована работа по спектральному анализу химического состава солнечной атмосферы, в которой он по совпадению линий испуска­ния определенных элементов с фраунгоферовыми ли­ниями солнечного спектра констатировал присутствие этих элементов на Солнце. В результате важнейшей об­ластью применения атомной абсорбционной спектроско­пии становятся астрофизика и астрохимия, выясняющие химический состав, физическое состояние и характер движения небесных тел.

       Первые два десятилетия XX в. знаменуются значи­тельными достижениями в области теории атомной аб­сорбции. В этот период были установлены основные со­отношения: связывающие величину поглощения с атом­ными постоянными, сформулирована теория уширения линий с давлением, выведено соотношение для контура линии поглощения при суммарном действии не­скольких эффектов уширения, разработаны методы измерения атомной абсорбции.

Благодаря теоретическому обоснованию процессов абсорбции удалось получить количественные данные о солнечной и звездных атмосферах их химическом составе, температурах, электронных концентрациях и пр.

Абсорбционный метод нашел применение при рас­шифровке сложных спектров, так как в поглощении на­блюдаются линии, начинающиеся только с низких энер­гетических уровней.

Для астрофизических целей, исследования плазмы, выяснения особенностей строения атома важно знать продолжительности жизни возбужденных состояний ато­мов и эффективные сечения атомов при столкновении с молекулами постороннего газа. Измерения поглощения применяются также и при исследовании сверхтонкой структуры атомных линий и эффекта Зеемана, т. е. в тех случаях, когда для реги­страции явления необходимы очень узкие спектральные линии.

Применение атомной абсорбции в аналитической хи­мии начинается в сороковых годах и касается исключи­тельно определения паров ртути в воздухе.

В 1954 г. появляется работа О. П. Бочковой  посвященная применению атомной абсорбции для анализа газов. Этими единичными работами ограничивалось аналити­ческое использование атомной абсорбционной спектро­скопии вплоть до 1955 г.

В 1955 г. Уолшем были выявлены наибо­лее существенные преимущества абсорбционных методов перед эмиссионными, предложен рациональный способ регистрации атомной абсорбции и рекомендована схема установки для проведения анализов.

Работы по атомной абсорбционной спектро­скопии проводятся не только в области ее применения для анализа элементарного состава вещества, но и в других направлениях: разрабатываются абсорбционные методы анализа газов, упрощенные методы определения изотопного состава элементов, ведутся измерения абсо­лютных величин сил осцилляторов и ширины резонанс­ных линий, коэффициентов диффузии паров элементов в инертных газах.

Цель данной курсовой работы является моделирование атомно-абсорбционных измерений в варианте лазерной спектроскопии, то есть в качестве источника  используется He-Ne лазер, а в качестве вещества разряд  Ne в лампе.

Задачи: 1) Проработать литературу по общей теории атомно-абсорбционной спектроскопии.

               2)  ознакомится с понятиями коэффициента поглощения, уширения контура линии.

                3)   Установить связь между коэффициентом поглощения в центре доплеровской линии (k) и концентрацией поглощающих атомов .

                 4)  Экспериментально вычислить   концентрацию  атомов  и сравнить с теоретическим значением.

                                                ГЛАВА I

ТЕОРИЯ АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 ИЗЛУЧЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Излучение и поглощение света связано с процессами перехода атомов из одного стационарного состояния в другое. Для стационарных состояний i и k с энергия­ми E и Eh в тех случаях, когда Eh>E  переход i k ведет к поглощению света, а переход k i ведет к из­лучению света с частотой

                              =                                                  (1)

Согласно квантовой теории излучения Эйнштейна ме­жду уровнями i и k могут наблюдаться переходы трех типов:

   1. Излучательные переходы (ki) из возбужденного в более низкое энергетическое состояние, происходящие самопроизвольно (спонтанно).

2.      Поглощательные переходы   (ik)   из более низ­кого в более высокое энергетическое состояние, проис­ходящие  вынужденно  в  результате воздействия внеш­него излучения с частотой vh i

3.      Излучательные переходы (ki) из возбужденного в более низкое энергетическое состояние, происходящие вынужденно (индуцированно) в результате воздействия внешнего излучения той же частоты, что частота испускания

      Таким образом, излучательные переходы ki вклю­чают два рода переходов: спонтанные переходы, проис­ходящие без какого-либо внешнего воздействия, и вы­нужденные переходы, происходящие под влиянием внешнего излучения. Поглощательные же переходы ik всегда происходят при воздействии внешнего излучения. По отношению к поглощению обратным процессом является не спонтанное испускание, а процесс выну­жденного испускания, выражающийся в усилении пучка света, проходящего через среду. Это явление, до недав­него времени рассматривавшееся как некий теоретиче­ский курьез, было реализовано в течение последних лет в системах оптических квантовых усилителей и генера­торов (лазеров).

Атомный  аб­сорбционный спектральный анализ основан на явлении совершенно иного характера — вынужденном  процессе.

Метод атомно-абсорбционная спектроскопия основана на законе поглощения атомами исследуемого пара узких спектральных излучений

                      I=I                                                                                                            (2)

      Здесь I-интенсивность падающего излучения на поглощающий слой пара толщиной   в интервале частот от  до +d. I-интенсивность прошедшего излучения  в том же интервале частот , k-коэффициент поглощения, который можно считать постоянным только для достаточно узкого спектрального интервала.

Существует три варианта метода атомно-абсорбционной спектроскопии:

1)                 с использованием источника линейчатого спектра.

2)                 с использованием источника сплошного спектра.

3)                 с одновременным использованием источников линейчатого и сплошного спектров.

Первый вариант получил название метода линейчатого поглощения. Второй-метода полного поглощения. Третий – комбинированного метода.   

1.2  ПОНЯТИЕ ЛИНИИ   ПОГЛОЩЕНИЯ   И   КОЭФФИЦИЕНТ   ПОГЛОЩЕНИЯ

Поглощение  света   атомами   какого-либо   элемента можно наблюдать, пропуская пучок света от источника со сплошным спектром через среду, в которой находятся свободные   атомы   этого   элемента.  Применяя   прибор с большой  разрешающей способностью, легко обнару­жить провалы интенсивности в определенных участках сплошного спектра, соответствующих энергиям  перехо­дов атомов из более низкого в более высокое энергети­ческое состояние.

  Атомное поглощение характеризуется экспоненциаль­ным законом убывания интенсивности проходящего све­та J в зависимости от длины слоя l, аналогичным за­кону Ламберта в молекулярной спектроскопии:

                                               J=J                                          (3)

Здесь J — интенсивность падающего пучка света, kv — коэффициент поглощения света, зависящий от частоты . Коэффициент поглощения является основной харак­теристикой, описывающей свойства линий поглощения, подобно понятию интенсивности в   эмиссионной спектро­скопии. Законы распределения коэффициента поглоще­ния по контуру линий поглощения аналогичны законам распределения интенсивности по контуру линий испуска­ния.

При практических измерениях удобно также приме­нять величину оптической плотности D, которая опреде­ляется как

                        D=                                                                   (4)

Учитывая (2), имеем:

                       D=l lg(e) 0.4343l                                                                            (5)

откуда следует, что оптическая плотность прямо пропор­циональна коэффициенту поглощения.

Атомное поглощение со­ответствует переходам атомов из более низких в более высокие энергетические состояния. Поэтому естественно, что величина поглощения зависит от заселенности ниж­него уровня, соответствующего наблюдаемой линии.

Заселенность возбужденных уровней незначительна по сравнению с нижним уровнем. Поэтому наибольшее поглощение наблюдается для ли­ний, соответствующих поглощательным переходам с нижнего невозбужденного уровня. Эти линии в атомно-абсорбционном анализе называют резонансными.

1.3. КОНТУР ЛИНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ

Линии поглощения, как и линии испускания, пред­ставляют собой не монохроматические, бесконечно тон­кие линии, а имеют определенную конечную ширину. Под полушириной линии поглощения  подразумевает­ся ширина контура в том месте, где коэффициент погло­щения kv уменьшается вдвое. Полуширину   линии  удобно выражать не в единицах длин волн, а в частотах поскольку полуширина,     выраженная в этих единицах, опи­сывает свойства линии поглощения    независи­мо      от   ее  длины волны.

                      Рис 1  контур линии.

Легко установить связь между полуши­риной,  выраженной   в частотах.               

 (сек)=                                                                                            (6)

(см)=

где с — скорость света.

Форма контура линий определяется суммарным дей­ствием следующих факторов:

1) естественное уширение;

2)        допплеровское уширение;

3)        лорентцевское уширение.

Другие возможные причины уширения спектральных линий, связанные, например, с взаимодействием атомов с электрически заряженными частицами или друг с дру­гом, не существенны для наиболее распространенных способов получения поглощающих слоев. Поэтому  рассмотрим только указанных выше уширения.

      1)Естественное уширение линий связано, с точки зре­ния квантовой электродинамики, со степенью расшире­ния уровней. Расширение является результатом конеч­ного времени жизни () уровней, между которыми про­исходит переход. Нормальный уровень стабилен (= ), поэтому для резонансных переходов существенна только ширина верхнего уровня. Итак

=                                                                                      (7)

Контур линии, обусловленный естественным уширением, имеет дисперсионную форму, описываемую выра­жением

=                                                                 (8)

Где k0 –коэффициент поглощения в центре линии.

 2)Допплеровское уширение линий связано с беспоря­дочным тепловым движением атомов относительно наблюдателя. В результате движения атома со скоростью, проекция которой на направление наблюдения равна vx, частота поглощения атомом представляется наблюда­телю смещенной на

                             =                                                         (9)

 где -скорость движения частицы.

Если движение атомов в поглощающей ячейке под­чиняется распределению Максвелла, которое всегда справедливо для термодинамических равновесных систем, то распределение коэффициента поглощения kv опреде­ляется выражение

=                                                                 (10)

где А—атомный вес, R — газовая постоянная, Т — тем­пература, ko(D) — коэффициент поглощения в центре ли­нии. Величина ko(D) определяется формулой

=                                                       (11)

здесь f — сила осциллятора, N—концентрация атомов.

Допплеровская    полуширина    линии:

=                                                                      (12)

      или после подстановки постоянных,

=0.716*10                                                             (13)

  3)лорентцевское уширение. Впервые ударный механизм уширения был рассмо­трен Лорентцем в 1905 г. Согласно Лорентцу излучение атома  рассматривалось  как  гармоническое  колебание внутриатомного электрона. В момент столкновения ато­ма с посторонней частицей колебание обрывалось, а после столкновения возобновлялось с той же самой ча­стотой. Таким образом, колебания представлялись в виде отрезков синусоиды со случайным распределением фаз в отдельных отрезках.

Страницы: 1, 2, 3