Источники возбуждения электромагнитного излучения (света)
Требования к источникам:
–высокая стабильность;
–чистота линейного спектра.
Наибольшее применение в качестве источников возбуждения получили пламя, дуга, искра и индуктивно – связанная плазма (ИСП).
Пламя – самый низкотемпературный источник. Температура пламени в зависимости от состава горючей смеси может составлять от 1500 до 3000 0С.
Такие температуры оптимальны для определения лишь легко ионизуемых элементов, в первую очередь щелочных и щелочноземельных металлов с Eu от 3,5 до 6 эВ.Для них метод фотометрии пламени является одним из самых чувствительных (пределы обнаружения до 10-7 % масс).Конструктивно пламенный анализатор представляет собой горелку. Анализируемую пробу (раствор) подают в пламя, распыляя с помощью форсунки. Достоинство пламени – высокая стабильность и воспроизводимость результатов (0,01 – 0,05).
Электрическая дуга. Используют дуговые разряды постоянного и переменного тока. Дуговой анализатор представляет собой пару электродов (чаще всего угольных) между которыми пропускают электрический разряд. Нижний электрод имеет углубление в которое помещают пробу. Таким образом дуговой разряд наиболее удобен для анализа твердых проб. Если анализируемая проба – металл (сплав), то она непосредственно служит нижним электродом. Температура дугового разряда 3000 – 7000 0С. Таких температур вполне достаточно для возбуждения большинства элементов (кроме наиболее трудно ионизуемых неметаллов).Поэтому для большинства элементов пределы обнаружения в дуге на один – два порядка ниже, чем в пламени и составляет 10-4 – 10-2 %. Одна из наиболее важных областей применения дуговых источников – это качественный анализ.
Электрическая искра. Искровой атомизатор устроен так же как и дуговой. Он предназначен в основном для анализа твердых образцов (иногда для растворов). Температура искрового источника достигает около 10000 0С. Этого достаточно для возбуждения даже трудновозбудимых элементов (галогенов, H, S, N и др.).Искровой разряд стабильнее дугового и воспроизводимость результатов выше (~ 0,05 – 0,1).
Индуктивно-связанная плазмапредставляет собой плазменную горелку особой конструкции, в которой используется атмосфера особо чистого аргона. Температура в ИСП порядка 80000С Индуктивно-связанная плазма характеризуется универсальностью, высокой чувствительностью(Сmin= 10-8– 10-2%), хорошей воспроизводимостью (~ 0,01 – 0,05). Основной фактор, сдерживающий применение ИСП – высокая стоимость оборудования и аргона высокой чистоты.
Диспергирующий элемент разлагает излучение в спектр. Это наиболее важная часть спектрального прибора, в значительной степени определяющая его возможности.
В качестве диспергирующего элемента используют призмы и дифракционные решетки. Большое распространение в аналитической практике получили призменные спектральные приборы и приборы с дифракционной решеткой.
Призмы изготавливают из стекла или кварца. Стеклянные призмы используют в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра. Для исследования ультрафиолетовой области спектра применяют призмы из кварца.
Дифракционные решетки имеют существенные достоинства, т.к. дисперсия света в них не зависит от длины волны. Спектральный интервал достаточно широк (от 200 до 1000 нм).
Приемники излучения характеризуются спектральной чувствительностью – способностью воспринимать излучение различной длины волны. Одним из приемников излучения в визуальных методах являетсяглаз человека, чувствительный к свету в области спектра от 400 до 760 нм. Возможности глаза как измерительного прибора ограничены тем, что он приближенно оценивает разность или отношение интенсивностей световых потоков.С достаточной точностью глаз устанавливает равенство или неравенство интенсивностей световых потоков одного цвета.
Фотопластинка.Светочувствительный слой фотопластинки – это мелкие кристаллы галогенидов серебра. При освещении фотопластинки в светочувствительном слое образуются скрытые изображения. На освещенных местах фотопластинки появляются кристаллы металлического серебра:
AgBr + hν= Ag + Br. После проявления и закрепления на фотопластинке остается изображение в виде спектральных линий. Чем больше интенсивность спектральных линий, тем больше почернение (S), которое вызывает эта спектральная линия:
(31)
где I и I0 – интенсивность света, прошедшего соответственно через затемненный (засвеченный) участок фотопластинки и через незасвеченный.
Фотоэлементы это устройства, преобразующие световую энергию в электрическую. Более чувствительными приемниками света являются фотоумножители. Они дают усиление фототока в 105 – 106 раз.
Спектральные приборы весьма разнообразны по конструкции. Они различаются по типу диспергирующего элемента, способу регистрации спектра и т.д.
В приборах для визуального спектрального анализа – стилоскопах и стилометрахдиспергирующим элементом являются стеклянные призмы, приемником излучения – глаз наблюдателя.
В приборах для фотографических регистраций спектра –спектрографах спектр фотографируют на фотопластинку. В этом случае интенсивность светового потока определяет величину почернения (S) изображения спектральных линий на фотопластинке. Величину почернения измеряют фотометрическим методом.
Наиболее перспективны приборы с дифракционными решетками (ДФС). Они предназначены для фотографической и фотоэлектрическойрегистрации спектра. Существенным достоинством фотоэлектрических приборов является экспрессность получения результатов. Так, с помощью квантометра ДФС – 10М определяют 15 – 20 элементов в одном образце за 5 – 7 мин.