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.
