2
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 абсорб-ции неразрывно связаны со всей историей спектроскопии и спектрального анализа. В 1802 г. Волластон, воспро-изведя опыт Ньютона по разложению сплошного сол-нечного 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 обна-ружил темные линии в спектре Солнца, которые и полу-чили в честь него название фраунгоферовых.
Происхождение темных линий было установлено лишь в 1859 г. Кирхгофом. Кирхгоф впервые сделал от-четливый вывод о возможности определения химиче-ского состава вещества по спектрам. В совместных ра-ботах с Бунзеном Кирхгоф дал многочисленные при-меры применения спектров для определения щелочных металлов в пламени. Поэтому Бунзен и Кирхгоф спра-ведливо считаются основоположниками спектрального анализа.
В 1861 г. Кирхгофом была опубликована работа по спектральному анализу химического состава солнечной атмосферы, в которой он по совпадению линий испуска-ния определенных элементов с фраунгоферовыми ли-ниями солнечного спектра констатировал присутствие этих элементов на Солнце. В результате важнейшей об-ластью применения атомной абсорбционной спектроско-пии становятся астрофизика и астрохимия, выясняющие химический состав, физическое состояние и характер движения небесных тел.
Первые два десятилетия XX в. знаменуются значи-тельными достижениями в области теории атомной аб-сорбции. В этот период были установлены основные со-отношения: связывающие величину поглощения с атом-ными постоянными, сформулирована теория уширения линий с давлением, выведено соотношение для контура линии поглощения при суммарном действии не-скольких 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 рас-шифровке сложных спектров, так как в поглощении на-блюдаются линии, начинающиеся только с низких энер-гетических уровней.
Для астрофизических целей, исследования плазмы, выяснения особенностей строения атома важно знать продолжительности жизни возбужденных состояний ато-мов 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 реги-страции явления необходимы очень узкие спектральные линии.
Применение атомной абсорбции в аналитической хи-мии начинается в сороковых годах и касается исключи-тельно определения паров ртути в воздухе.
В 1954 г. появляется работа О. П. Бочковой посвященная применению атомной абсорбции для анализа газов. Этими единичными работами ограничивалось аналити-ческое использование атомной абсорбционной спектро-скопии вплоть до 1955 г.
В 1955 г. Уолшем были выявлены наибо-лее существенные преимущества абсорбционных методов перед эмиссионными, предложен рациональный способ регистрации атомной абсорбции и рекомендована схема установки для проведения анализов.
Работы по атомной абсорбционной спектро-скопии 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 абсо-лютных величин сил осцилляторов и ширины резонанс-ных 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 энергия-ми E и Eh в тех случаях, когда Eh>E переход i k ведет к поглощению света, а переход k i ведет к из-лучению света с частотой
= (1)
Согласно квантовой теории излучения Эйнштейна ме-жду уровнями i и k могут наблюдаться переходы трех типов:
1. Излучательные переходы (ki) из возбужденного в более низкое энергетическое состояние, происходящие самопроизвольно (спонтанно).
Поглощательные переходы (ik) из более низ-кого в более высокое энергетическое состояние, проис-ходящие вынужденно в результате воздействия внеш-него излучения с частотой vh i
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 вклю-чают два рода переходов: спонтанные переходы, проис-ходящие без какого-либо внешнего воздействия, и вы-нужденные 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 выну-жденного испускания, выражающийся в усилении пучка света, проходящего через среду. Это явление, до недав-него времени рассматривавшееся как некий теоретиче-ский курьез, было реализовано в течение последних лет в системах оптических квантовых усилителей и генера-торов (лазеров).
Атомный аб-сорбционный 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
Страницы: 1, 2, 3, 4