原子光谱学概论

能量的转换

原子光谱学是通过电磁或质谱来测定元素成分的方法。研究元素的电磁波谱被称为光学原子谱学。电子在原子内以能级存在。这些能级具有明确的能量，在它们之间运动的电子必须吸收或发射与它们之间的差相等的能量。在光谱学中，电子移动到更高能量水平所吸收的能量和/或电子移动到更低能量水平所发射的能量以光子的形式存在。发射辐射能的波长与已经发生的电子跃迁直接相关。因为每个元素都有独特的电子结构，所以发射光的波长是每个元素的独特属性。由于大原子的轨道结构可能是复杂的，因此会发生许多电子跃迁，每一个跃迁都会产生特定波长的光，如下图所示。

这三种技术是如何实现的。

原子光谱学产生了三种用于分析的技术:原子吸收。原子发射。原子荧光。激发和衰变到基态的过程涉及原子光谱学的所有三个领域。无论是在激发过程中吸收的能量，还是在衰变过程中发射的能量，都被测量并用于分析目的。

如果波长合适的光照射在自由基态原子上，原子就会在进入激发态时吸收光线，这一过程称为原子吸收。这个过程如图所示。原子吸收测量的是当光穿过原子云时，共振波长的光被吸收的量。随着光路中原子数量的增加，光的吸收量以一种可预测的方式增加。通过测量光的吸收量，可以定量地确定存在的分析物元素的量。使用特殊光源和仔细选择波长，可以在其他元素存在的情况下对单个元素进行特定的定量测定。原子吸收测量所需的原子云是通过向样品提供足够的热能使化合物分解为自由原子而产生的。将样品的溶液吸入在光束中对齐的火焰中即可达到此目的。在适当的火焰条件下，大多数原子将保持基态形式，并能够吸收来自光源的分析波长的光。这种技术可以轻松快速地进行精确的测定，这使得原子吸收成为最流行的金属测定方法之一。

原子吸收过程

在原子发射中，样品处于高能量、热环境中以产生能够发光的激发态原子。能量来源可以是电弧，火焰，或者最近的等离子体。暴露在这种能量源下的元素的发射光谱由允许发射波长的集合组成，通常称为发射线，因为发射波长的离散性质。该发射光谱可作为该元素定性鉴定的唯一特征。电弧原子发射法已广泛应用于定性分析。发射技术也可以用来确定样品中某种元素的含量。对于“定量”分析，要测量在要确定的元素的波长处发射的光的强度。当分析物元素的原子数增加时，该波长的发射强度将更大。火焰光度测定技术是原子发射定量分析的一种应用。

与原子光谱学相关的量子效率

原子光谱学的第三个领域是原子荧光。该技术结合了原子吸收和原子发射两方面。和原子吸收一样，在火焰中产生的基态原子通过将一束光聚焦到原子蒸气中而被激发。然而，测量的不是在这一过程中吸收的光量，而是由源光激发的原子衰变产生的辐射。这种“荧光”的强度随着原子浓度的增加而增加，为定量测定提供了依据。用于原子荧光的光源灯与光学系统的其他部分成一定角度安装，因此光探测器只能看到火焰中的荧光，而不能看到灯本身发出的光。最大限度地提高灯的强度是有利的，因为灵敏度与激发原子的数量直接相关，而激发原子的数量又是激发辐射强度的函数。

虽然原子吸收是这三种技术中应用最广泛的，并且通常比其他两种技术具有一些优点，但在特殊的分析情况下，发射或荧光都可能获得特别的好处。