第2章 原子发射光谱分析的基本原理和技术（郑国经）

2.1 概述 原子发射光谱(atomic emission spectrum，AES)是应用最早的光谱分析技术，原子发射光谱仪器则是最为常用的元素分析仪器。它是根据原子核外电子受激，跃迁辐射该元素的特征谱线所提供的信息来进行元素定性、定量分析，具有快速多元素同时测定的优点。由于激发光源的不同，形成了多种类型的原子光谱分析技术，如火花/电弧发射光谱法、等离子体发射光谱法、辉光放电光谱法以及激光光谱法等。 在原子光谱分析的发展过程中，随着技术的进步，它经由看谱镜、摄谱仪、光电光谱仪，到各种类型的直读光谱仪，等离子体光谱仪和激光光谱仪，开发了多种实用而有效的分析仪器，波长应用范围拓展到远紫外光区和近红外区(130nm-1000nm)，可直接测定碳、硫、氩和氟、氯、溴等卤素元素和各种金属元素，以及金属材料中的氮、氢、氧等气体成分的快速测定。仪器的分辨率不断得到提高(实际分辨率可达到0.005nm)，可以适用于复杂样品的直接测定。发展了火花/电弧、等离子体、辉光放电和激光诱导等不同特点的光谱分析方法，使原子发射光谱分析的应用从常量元素测定扩展到高含量元素分析、痕量元素分析；从宏观成分分析扩展到微观成分分析，夹杂物分析，表面分析，逐层分析，分布分析及元素状态分析。在应用领域，从传统的材料分析扩展到监控水、土、空气污染状况的环境分析，以及海洋、太空探测中的遥感分析等方面。如今，原子发射光谱分析技术在采矿、冶金、石油、燃化、机械制造、农业、食品工业、生物医学、生命科学、核能以及环保等领域发挥着重要的作用。 2.2 原子发射光谱的产生和特性 2.2.1 原子发射光谱的产生[1,2] 原子由原子核及核外电子组成，原子核外的电子处于不同量轨道运动时处于不同的能级，其能量的变化呈量子化。当原子外层电子由高能级向低能级跃迁时，以辐射的形式释放多余的能量而发射光谱。所发射的谱线对该原子是特征的，其波长由(2-1)决定， (2-1) 式中：为波长(nm)，h为普朗克常数，c为光速，E2、E1分别为高能级与低能级的能量(eV)。 2.2.2 原子发射光谱的基本特性[3] 原子光谱只涉及原子核外层电子的跃迁，相应的能量变化△E一般为1eV～20eV，波长范围在100nm～1000nm。一般只有基态原子蒸气的激发才能形成对分析有用的原子光谱。如果基态原子电离并被激发，形成具有足够强度的离子光谱，也可以用于定性和定量分析。 光谱谱线的数目、波长、轮廓及其宽度、谱线的强度，以及谱线的精细结构是原子光谱的基本特性。下面就轮廓及其宽度、谱线的精细结构和谱线的强度分别做进一步介绍。