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.

Контур линии, обусловленный лорентцевским эффектом, имеет такой же вид, как и при естественном уширении линии:

= (14)

здесь —коэффициент поглощения в центре линии,

= (15)

лорентцевская полуширина линии, которая в свою очередь зависит от условий опыта согласно выражению

=2*6,02*10P (16)

σ— эффективное сечение для уширяющего столкновения между атомом и молекулой, где Р — давление газа, А — атомный вес атомов, М — молекулярный вес газа;

Согласно современным представлениям, взаимодействие между частицами ведет не к обрыву, а лишь к изменению фазы колебаний. В расчет принимаются все изменения фазы, вызванные как близкими, так и дальними пролетам взаимодействующих частиц. Последнее обстоятельство позволило объяснить сдвиг линий относительно первоначальной частоты v0 на величину vs.

1.4 СВЯЗЬ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОГЛОЩЕНИЯ В ЦЕНТРЕ ДОПЛЕРОВСКОЙ ЛИНИИ (k) И КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ АТОМОВ ( ИЛИ ДАВЛЕНИЕМ ПАРА P)

Коэффициент поглощения в центре доплеровской линии и концентрация поглощающих атомов связаны соотношением:

= (17)

то с учётом применимости основного уравнения идеального газа к насыщенному пару при давлениях ниже атмосферных в виде:

P=kT (18)

Находим связь между давлением пара и коэффициентом поглощения в центре доплеровской линии:

(19)

Где μ - молекулярный вес, R-универсальная газовая постоянная, T- температура поглощающего слоя газа, ν – частота на которую приходится центр линии, f-сила осциллятора.

Вычисление концентрации поглощающих атомов экспериментально:

(20)

D-оптическая плотность

(21)

Коэффициент поглощения

(22)

Теоретически:

(23)

Где λ - длина свободного пробега, d-расстояние между электродами, φ - потенциал ионизации.

(24)

Где d – диаметр молекулы NE.

(25)
A-атомный вес, S- площадь сечения, М- молярный вес

ГЛАВА 2

ЛАЗЕРЫ

2.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА

У истоков глобальных перемен стояли выдающиеся физики XX века Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и американец Чарлз Хард Таунс.В 1964 году все трое получили Нобелевскую премию "за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера-мазера".

Принцип работы лазера:

Рассмотрим схему энергетических уровней некоторого атома (рис.1).

Зная, что, если атому, находящемуся на основном уровне W1, сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.2а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.2б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Wm на уровень энергии Wn, то частота излучаемого (или поглощаемого) света νmn = (Wm - Wn)/h.

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Страницы: 1, 2

МЕНЮ

Определение концентрации атомов в газе методом атомно-абсорбционной спектроскопии

Определение концентрации атомов в газе методом атомно-абсорбционной спектроскопии