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谈谈原子吸收与质谱的物理学

  • zhangxuanzhong
    2014/05/09
  • 私聊

原子吸收光谱(AAS)

  • (1)

    首先,这是现场打字,也算是闲扯而已。本版谈化学的多,谈物理的少,所以肯定是非主流的,大家要有心理准备。

    原子吸收是什么? 很明显,就是原子要吸收光,那么,原子为什么要吸收光,这当然是因为原子处于基态,也就是说,原子处于最贫穷的状态,所以它要吃进(吸收)一切能量。那它虽然很穷,也不是什么都吃,这里面有一个选择性。它只吃它能消化的能量。这个大家都懂得的,波长是离散的,这背后是量子力学的薛定谔方程或者海森堡方程解出来的,总之就是离散的波长。你要问了,为什么原子不可以吸收任意波长呢? 这个问题是没有办法回答的,只能说这一切都是量子力学决定的。

    好了,基态原子吸收了光的能量,就转变了状态,变成了激发态。

    那我们怎么得到基态原子呢?答案就是要烧一下。用火焰或者石墨炉,ICP 等。尤其是石墨炉,有一个突然升温的过程,3s时间内完成 原子化,温度2000来度。这个温度是怎么定出来的呢?大家只要知道,1个电子伏特是1万度,2000度就是0.2个电子伏特,基本就是分子键的能量吧,一定可以打碎,而且还有剩余,这剩余的能量就可以把原子搞成激发态。激发态是不太稳定的,寿命极短,就好象一个吊丝突然中了500万,在10的负8次方秒里,就会败光。又会被打回原形。吃进去的光又会吐出来,可惜的是,它吐出来的光是朝四面八方,所以极弱,我们称之为荧光。

    你要问了,那吐出激光来的原子又是怎么会事情?

    那是因为能吐出激光的原子,都是中了500万以后能很谨慎的那种,不轻易败钱,所谓处于亚稳态了,寿命很长。

    好了,第一段写到这里,余下的下次再写…………
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  • jack510070

    第1楼2014/05/11

    “1个电子伏特是1万度,2000度就是0.2个电子伏特,基本就是分子键的能量吧,一定可以打碎,而且还有剩余,这剩余的能量就可以把原子搞成激发态”,这个说法不对。
    ICP不是燃烧,所以我们一般说ICP炬,而不是ICP焰,它是放电形成的,温度至少有7000度。

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  • 冰山

    第2楼2014/05/11

    应助达人

    楼主的文章语言清晰明快,而又通俗幽默,在技术类篇章里实属罕见。欢迎继续此类大作继续在本版上演,学习了!

0
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  • zhangxuanzhong

    第3楼2014/05/11

    (2)
    前面既然有人谈到ICP,才发现确实忘记谈ICP了。
    ICP是什么,首先它肯定不是IC卡,P是什么意思呢,P就是plasma,英语翻译过来就是等离子体,台湾人又称之为电浆。
    ICP作为一种等离子体,是属于低温等离子体的范畴。 我有一个师兄,在9所工作,我问他,你研究的高温等离子体是多少度,它告诉有很多个ev,其实就是原子弹爆炸的温度了,当然是蛮高的。
    ICP是一个很复杂的等离子体,用的是电感把能量耦合进氩气一类的物质,从物理上来说,功率很大,有千瓦级别,所以电感其实也要传递很高电功率。细节我们下次再讲,总之这里面涉及到射频。
    射频在四极质谱里也会用到,在四极质谱里,则不需要那么大的功率,大概也就20来瓦特,为什么呢?因为四极杆作为一个电容是工作在真空中,要晃动几个离子是很容易的。离子在真空中运动的速度是10的6次方米每秒这个级别,它的质量很小,晃动起来的动能是速度的平方与质量的乘积,是很小的。
    再说回来ICP,ICP等离子体具有7000度左右的温度,可以产生很多原子与离子,原子是脱了衣服了,离子是剥了皮的……正因为ICP的温度很高,能产生离子,所以才可以用到质谱仪器中。
    等离子是一个博大的学科,有一个所谓saha方程来计算平衡状态下的电离的程度——就是给你一群微观粒子,你能算出有多少比率的已经被脱了衣服,有多少被剥了皮。saha是一个印度人,他有一个同事叫做bose,提出了一种统计力学的新办法,给爱因斯坦写信后吊丝逆袭,现在读物理的人都知道bose子这个概念,可以说是青史留名。而saha方程因为只刻画平衡状态的物理,而且没有爱因斯坦提携,所以知道的人寥寥无几。

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  • 冰山

    第4楼2014/05/16

    应助达人

    真所谓“曲高和寡”啊!一不小心,这样好的帖子就沉下去找不到了,失责失责!
    如今再来学习再学习!

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  • huomiao

    第5楼2014/05/17

    应助达人

    坐等跟新,顶~~

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  • hzb5281

    第7楼2014/05/18

    真是好帖,楼主,你这要去原创大赛啊,理论一等奖

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  • jiasheng

    第8楼2014/05/18

    楼主太厉害了,膜拜ing

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  • zhangxuanzhong

    第9楼2014/05/20

    (3)
    本来以为帖子要沉没了,也就没有来看,今天突然发现被置顶了。我也很不好意思,那么就只好再继续谈下去。

    好了,那让我们来谈谈石墨管好了。

    石墨管在原子吸收仪器中,是会用到的。石墨管必须要比较干净,否则你一烧,烧出很多金属元素来,那还怎么做分析? 石墨管是有价值区别的,一般外国公司的要1000来块,普析等国内的企业的大概几百元一个 。
    石墨管的内部与外面是不一样的,也就是说,外面要有一个热解石墨的涂层。通俗地讲,就是给它穿上一件衣服,让它寿命更长一些 。

    楼主读高中的时候,对C60也就是足球烯有很大的兴趣,曾经拿数学上的欧拉公式对它进行计算,计算出其上的六边形的个数。这当然已经是小儿科了,但当时我就在想,石墨的兄弟还真是有如此好玩的事情——后来做了点质谱,我才知道C60就是激光打在石墨上,然后拿飞行时间质谱测出的分子量,也是用激光进行离子化的吧,总之我也不查nature的文献了,说错了别怪我。后来我也买过石墨烯,这玩意更高级,是未来10大科技新噱头之一,我还曾经写过一个科普,说把石墨烯覆盖在汽车上,可以撞墙而不死。因为石墨烯的强度是非常高的,一张还没有处女膜那么厚的膜,上面可以站一只大象。
    因此,石墨是非常有意思的东西,与它相关的领域一定会产生诺奖。

    话在说回来到石墨管,那么热解石墨又是啥呢?
    其实,热解石墨的物理图象是这样的:在一个炉子里,高温的时候,甲烷被热分解了,成了碳原子,然后象雪花一样的掉下来,覆盖到了石墨管的毛坯上,也就成了一件石墨的外衣。那么,这个高温的炉子里的温度是2000多度,细节我不讲,作为一个火共党员,我不隐瞒自己的观点,但很多技术参数我是不说的,希望大家原谅。
    那个火炉的温度很高,里面全是石墨做的电极,小电压大电流会让它产生高温,然后发出黑体辐射。这背后是维恩维移定理就可以确定出温度了。。。。关于比热,其实还有很多物理的,尤其是石墨的比热是怎么样的,我们有机会再写吧。

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  • zhangxuanzhong

    第10楼2014/05/20

    (4)
    写完第3段以后,已经过去十几分钟,居然没有人回帖,我感到很生气,后果也不严重了,就是我想再谈谈塞曼扣背景。
    塞曼是一个人的名字,说出来大家可能都不知道,他是洛仑兹的学生,来自荷兰,风车与郁金香的国。洛仑兹是谁?他是电子论的发明者,在汤母森发现电子之前,洛仑兹在笔下发现了它,类似于利用万有引力定理在笔下发现海王星的勒维叶。关于洛伦兹,其实很重要的一点是,他差点发现了狭义相对论。也就是差点抢了爱因斯坦的饭碗。
    关于洛仑兹的故事,可以说是罄竹难书的,大家有兴趣可以参考《日出:量子力学与相对论》一书。
    洛仑兹既然那么牛比,那么他的学生能差吗?
    不能差的。
    塞曼,在李鸿章访问荷兰的那一年就出山了,他把磁铁放在火的边上,然后在火里放一把食盐,我们都知道食盐里的Na离子是要发出5893A波长的谱线的,那就是双黄线了,那罗兰什么光栅再那么一份,可以看到谱线是分裂为2条。
    关键是,这个事情为什么发生?当然是因为电子是静止的,核电荷在相对电子运动,是一个电流,这个电流会产生18特斯拉左右的磁场,这个磁场引起了谱贤德分裂。
    为什么是18特斯拉?有2种办法可以计算了,首先可以用安培的环路定理来估计一下,其实可以用玻尔磁子在磁场中的能量与谱线的分裂产生的能量差来相等。
    所以,我们知道了5893会分裂为5890与5896——这个其实是天生的。
    如果我们再另外新加一个磁场呢?那么当然就会引起新的分裂。
    这个分裂就是塞曼分裂。
    塞曼扣背景的技术,与这些故事有关。一口吃 不了胖子,我们会慢慢地讲下去,在我心中,我非常佩服第一次来把塞曼扣背景的人,我觉得他一定是很聪明的,正如我很佩服第一个想到用四个圆柱子来做质量扫描的人,我认为paul对mathieu方程的洞察力,也是深邃的。这2件事情,震撼了我的灵魂……

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