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【关键字】报告
原子发射光谱实验报告
篇一：电感耦合等离子体发射光谱实验报告
电感耦合等离子体发射光谱法
1.基本原理
1.1 概述
原子发射光谱分析（atomic emission spectrometry，AES）是一种已有一个世纪以上悠久
历史的分析方法，原子发射光谱分析的进展，在很大程度上依赖于激发光源的改进。
到了 60 年代中期，Fassel 和 Greenfield 分别报道了各自取得的重要研究成果，创立了电
感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）原子发射光谱（ICP-AES）新技术，这在
光谱化学分析上是一次重大的突破，从此，原子发射光谱分析技术又加入一个崭新的发展时
期。 1.2 方法原理
原子发射光谱是价电子受到激发跃迁到激发态，再由高能态回到较低的能态或基态时，
以辐射形式放出其激发能而产生的光谱。
原子发射光谱法的量子力学基本原理如下：
（1）原子或离子可处于不连续的能量状态，该状态可以光谱项来描述； （2）当处于
基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时，其核外电子就从一种能量状态（基态）跃
迁到另一能量状态（激发态） 设高能级的能量为 E2，低能级的能量为 E1，发射光谱的波长 ，
为 l（或频率 n） 则电子能级跃迁释放出的能量△E 与发射光谱的波长关系为 ，
△E= E2- E1=hn=hc/l
（3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约 10-8 秒便跃迁返回到基态，并将激发所
吸收的能量以一定的电磁波辐射出来；
（4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱） （5）由于原子或 ；
离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此，对特定元素的原子或离子可产生一系
列不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的
特征谱线存在与否进行定性分析。
半定量是对样品中一些元素的浓度进行大致估算。
一种半定量的方法是对许多元素进行一次曲线校正，并将标准曲线储存起来。然后在需
要进行半定量时，直接采用原来的曲线对样品进行测试。结果会因仪器的飘移而产生误差或
因样品基体的不同而产生误差，但对于半定量来说，可以接受。
ICP 定量分析的依据是 Lomakin-Scherbe 公式：
I=aCb
式中
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I：谱线强度 C：待测元素的浓度 a：常数
b: 分析线的自吸收系数，一般情况下 b￡1，b 与光源特性、待测元素含量、
元素性质及谱线性质等因素有关，在 ICP 光源中，多数情况下 b?1
发射光谱通常用化学火焰、电火花、电弧、激光和各种等离子体光源激发而获得。等离
子体光源有 ICP（inductively coupled plasma） DCP（direct-current plasma） MWP (microwave
、 、
plasma)。
原子发射光谱分析的波段范围与原子能级有关，一般在 200—850nm，近几年由于分光
测光系统的改进，仪器的波长范围已扩展到 120—1050nm。常见的光源如表 1。
表 1 几种常见光源
当高频发生器接通电源后，高频电流 I 通过感应线圈产生交变磁场(绿色)。 开始时，管
内为 Ar 气，不导电，需要用高压电火花触发，使气体电离后，在高频交流电场的作用下， 带电粒子高速运动，碰撞，形成"雪崩"式放电，产生等离子体气流。在垂直于磁场方向将产
生感应电流（涡电流，粉色） 其电阻很小，电流很大(数百安)，产生高温。又将气体加热、 ，
电离，在管口形成稳定的等离子体焰炬。如图 1。
图1 ICP 形成原理
ICP 焰明显地分为三个区域：
（1）焰心区，不透明，是高频电流形成的涡流区，等离子体主要通过这一区域与高频
感应线圈耦合而获得能量，该区温度高达 10000K；
（2）内焰区位于焰心区右方，一般在感应圈右边 10-20mm 左右，呈半透明状态，温度
约为 6000-8000K，是分析物原子化、激发、电离与辐射的主要区域；
（3）尾焰区在内焰区右方，无色透明，温度较低，在 6000K 以下，只能激
发低能级的谱线。
ICP 具有以下特点：
（1）温度高，惰性气氛，原子化条件好，有利于难熔化合物的分解和元素激发，有很
高的灵敏度和稳定性；
（2）"趋肤效应"，涡电流在外表面处密度大，使表面温度高，轴心温度低，中心通道
进样对等离子的稳定性影响小。能有效消除自吸现象，线性范围宽（4～5 个数量级） ；
（3）ICP 中电子密度大，碱金属电离造成的影响小； （4）Ar 气体产生的背景干扰小；
（5）无电极放电，无电极污染；
（6）ICP 焰炬外型像火焰，但不是化学燃烧火焰，气体放电；
（7）对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用高，这是 ICP 的缺点。
2.仪器构成
2.1 基本组成
ICP-AES 分析仪器主要由样品导入系统、检测器、多色器和 RF 发生器构成，如图 2。
图2 ICP-AES 分析仪器的基本组成
2.2 样品导入系统
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样品导入系统由蠕动泵、雾化器、雾化室和炬管组成。
加入雾化器的液体流，由蠕动泵控制。泵的主要作用是为雾化器提供恒定样品流，并将
雾化室中多余废液排出。除通常进样和排废液通道外，三通道蠕动泵为用户提供一个额外通
道，用该通道可在分析过程中导入内标等。
雾化器将液态样品转化成细雾状喷入雾化室，较大雾滴被滤出，细雾状样品到达等离子
炬。图 3 为同心玻璃雾化器图。
图 3 同心玻璃雾化器
由雾化器、蠕动泵和载气所产生的雾状样品进到雾化室。雾化室的功能相当于一个样品
过滤器，较小的细雾通过雾化室到达炬管，较大的样品滴被滤除流到
篇二：实验 31 原子发射光谱观测分析(实验报告)
实验 31（A）原子发射光谱观测分析
【实验目的】
1． 学会使用光学多通道分析器的方法
2． 通过对钠原子光谱的研究了解碱金属原子光谱的一般规律
3．加深对碱金属原子中外层电子与原子核相互作用以及自旋与轨道运动相互作用的了
解
【实验仪器】
光学多通道分析器、光学平台、汞灯、钠灯、计算机
【原理概述】
钠属碱金属原子类，碱金属原子和氢原子一样，都只有一个价电子。但在碱金属原子中 除了一个价电子外，还有内封闭壳层的电子，这些内封壳层电子与原子核构成原子实。价电
子是在原子核和内部电子共同组成的力场中运动。 原子实作用于价电子的电场与点电荷的电
场有显著的不同。特别是当价电子轨道贯穿原子实时 （称贯穿轨道） 这种差别就更为突出。 ，
因此，碱金属原子光谱线公式为：
?11~??R???n2n2
1?2?RR????n????2n??2 ?l?l
~为光谱线的波数；R 为里德堡常数。 其中?
n?与 n 分别为始态和终态的主量子数?
n2 与 n1 分别为始态和终态的有效量子数
l?与 l 分别为该量子数决定之能级的轨道量子数
?l??与?l 分别为始态和终态的量子缺（也称量子改正数，量子亏损）
根据就的波尔理论，在电子轨道愈接近原子中心的地方，?的数值愈大。当轨道是贯穿
轨道实，?得数值还要大些。因为这时作用在电子上的原子核的有效电荷 Zeff 有很大程度的
改变。在非常靠近原子核的地方，全部核电荷作用在电子上。而距离很远的，原子核被周围
电子屏蔽，以致有效核电荷 Zeff?1。因此 s 项的?值最大，而对 p 项来说就小一些，对于 d
来说还更小，由此类推。因而量子缺?的大小直接反映原子实作用于价电子的电场与点电荷
近似偏离的大小
对于钠原子光谱分如下四个线系
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~?np?3s 主线系：?
~?ns?3p 锐线系：? ~?nd?3p 漫线系：? ~?nf?3d 基线系：?
对于某一线系谱线的波数公式可写为：
~?A??nTRn??l2
其中 A nT 为常数，称为固定项。
从钠原子光谱中，可以看出各线系的一些明显特征，这些特征也为其他碱金属原子光谱
所具有。
各线系的共同特点是：
1.同一线系内，愈向短波方向，相邻谱线的波数差愈小，最后趋于一个极限——连续光
谱与分利谱的边界。这是由于能量愈高，能级愈密，最后趋于连续。
2.在同一线系内，愈向短波方向，谱线强度愈小，原因是能级愈高，将原子从基态激发
到那一状态也与不容易。
各线系的区别是：
~?3p?3s?1.各线系所在的光谱区域不同。主线系只有的两条谱线（钠双黄线）是在
可见区，其余在紫外区。又由于主线系的下能级是基态（3s1/2 能级） 因此当具有连续 ，
谱的光谱通过钠原子蒸汽经过分光后， 在连续光谱的背景上将出现钠原子主线系的吸收光谱。
在光谱学中，称主线系的第一组线（双线）为共振线，钠原子的共振线就是有名的双黄线
（589.0nm 和 589.6nm） 。锐线系和漫线系由于相应的能量差比主线系小，它们的谱线除第
~?4s?3p?~?3d?3p?一条线（； 红外区外，其余都在可见区。基线系的能量差 ）在
更小，在红外区。
2.s 能级是单重的，p、d、f 能级由于电子自旋与轨道运动作用引起谱项分裂，它们是双
重的。这些双重分裂随能级增高而变小。根据选择定则，主线系和锐线系是双线的。漫线系
和基线系是复双重的。主线系的双线是由于 3s 能级与 3p、4p??各能级间的跃迁产生的，双
线的距离决定于 p 能级的分裂大小，因此愈向短波方向，双线间的波数差愈小。而锐线系则 不同，它是内 3p 能级与各 s 能级之间的跃迁产生的，因此锐线系各双线的波数差都相等。
3.从谱线的外表上看，主线系强度较大，锐线系轮廓清晰，漫线系显得弥漫，一般复双
重线连成一片。
【实验仪器简介】
1.光栅摄谱仪
用来拍摄原子发射的一起称为摄谱仪。常用的摄谱仪有棱镜摄谱仪（如 QS-20 型）和光
栅摄谱仪（如 WPG-100 型，其一级光谱色散率约为 0.8nm/mm） 。
为了测量原子发射光谱线的波长，需要在光谱底片上同时并列拍摄标准光谱。对照标准
光谱图，利用线形内插值法，从靠近某一谱线的两条已知谱线的两条标准谱线的波长，即可
求出这谱线的波长。
2.光学多通道分析器
光学多通道分析器（OMA）由光栅单色仪、CCD 接收单元、扫描系统、电子放大器、
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A\D 采集单元、计算机组成。光学系统采用 C-T 型，如图所示。入射狭缝、出射狭缝均为直
狭缝，宽度范围 0－2mm 连续可调，每旋转一周狭缝宽度变化 0.5mm。狭缝的宽度由螺旋 移动刀片来改变，极易损坏，要小心使用。调节时注意最大不要超过 2mm，平日不使用时，
狭缝最好开到 0.1-0.5mm 左右。狭缝的质量直接决定了谱线的质量。
光源发出的光束加入入射狭缝 S1，S1 位于反射式准光镜 M2 的焦面上，通过 S1 射入的
光束经 M2 反射平行光束投降平面光栅 G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在 S
2 上。
图 1 光学多通道检测系统的基本框架
M2、M3 焦距 302.5mm；光栅 G 每毫米刻线 600 条，闪耀波长 550nm。
为除去光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，可根据需要把备用的滤光片装在入
射狭缝 S1 的窗玻璃前连接螺口上。滤光片共两片，工作区间：白片 350－600nm，红片 600
－900nm。
【实验内容】
1． 检查多通道分析器的转换开关的位置，确认是否处在工作位置，若用 CCD 接收，
将扳
手放在"CCD"档；若在毛玻璃上观察谱线，将旋钮指示停在"观察"档。
2． 点燃汞灯，用光学多通道分析器对汞灯发射光谱进行拍摄，并从 440nm 开始测量
到
540nm 每隔 20nm 对所摄谱线定标， 。
3． 点燃钠灯，用光学多通道分析器对钠灯发射光谱进行拍摄。
4． 对照不同起始波长下的已定标的谱线，分别测出钠谱线双黄线的波长。
【数据记录与处理】
一．钠原子光谱
数据路径：D:\光信息\zhong08323063 lin08323054
定标时参考的汞灯发射光谱的标准谱线波长值：
绿 色：546.07nm
黄 色：576.96nm 黄 色：578.97nm
1.起始波长为 l=440nm 时，钠光谱线如下：
图一 起始波长为 440nm 时的那光谱线
钠双黄线 D1 的波长为：l1=588.296nm
钠双黄线 D2 的波长为：l2=588.558nm
与标准值的相对误差为： 589.0?588.296?100%=0.12% 589.0
589.6?588.558E2=?100%=0.17% 589.6E1=
2.起始波长为 l=460nm 时，那光谱线如下：
图一 起始波长为 460nm 时的钠光谱线 钠双黄线 D1 的波长为：l1=588.011nm 钠双黄线 D2 的波长为：l2=588.484nm
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与标准值的相对误差为： 589.0?588.011?100%=0.17% 589.0
589.6?588.484E2=?100%=0.19% 589.6E1=
误差分析：两次测的钠双黄线波长与标准值（589.0nm 和 589.6nm）有偏差，出现误
差的原因为：
（1）定标不够精确，引起误差； 2）手动选取钠双黄线波峰位置时不够准确； 3）变
（ （
化着的外部环境（周围变化的光线）影响着测量的精确性，导致误差。
二．未知光源光谱
1.起始波长为 l=400nm 时，未知光源光谱为：
篇三：原子吸收光谱实验报告
一、基本原理
1.原子吸收光谱的产生
众所周知，任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成，原子核外电子按其能
量的高低分层分布而形成不同的能级。因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低
的能级状态称为基态能级（E0=0） 余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第 ，其
一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一
定外界能量如光能提供给该基态原子， 外界光能量 E 恰好等于该基态原子中基态和某一较 当
高能级之间的能级差△E 时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应
的激发态，而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不
稳定的，大约经过 10-8 秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时
所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收
辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。核外电子从基态跃迁至第一激发态所吸收 的谱线称为共振吸收线，简称共振线。电子从第一激发态返回基态时所发射的谱线称为第一 共振发射线。由于基态与第一激发态之间的能级差最小，电子跃迁几率最大，故共振吸收线 最易产生。对多数元素来讲，它是所有吸收线中最灵敏的，在原子吸收光谱分析中通常以共
振线为吸收线。
2.原子吸收光谱分析原理
2.1 谱线变宽及其原因
原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。 其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特
征光谱通过样品的蒸汽中被待测元素的基态原子吸收后，测定发射光谱被减弱的程度，进而
求得样品中待测元素的含量，它符合吸收定律：
I??I0e(?k?l) (1.1) logI?
I0??0.434K?l??A (1.2)
其中：Kv 为一定频率的光吸收系数，Kv 不是常数，而是与谱线频率或波长有关，Iv 为
透射光强度，I0 为发射光强度。
据吸收定律的表达式， I?~? 和 K?-? 分别作图得吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。 以
可见谱线是有宽度的。谱线的宽度主要有两方面的因素：一类是由原子性质所决定的，例如
自然宽度；另一类是外界影响所引起的，例如热变宽、碰撞变宽等。
2.2 基态原子数和总原子数的关系
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据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服
从 Boltzmann 分配定律：
NiN0?gig0e?Ei/kT(1.3)
可见，Ni/N0 的大小主要与"波长"及"温度"有关。也就是说当温度保持不变时，激发能
（h?）小或波长长，Ni/N0 则大。但在 AAS 中，波长不超过 600nm 即激发能对 Ni/N0 的影 响有限。同时随温度增加 Ni/N0 变大，且 Ni/N0 随温度 T 增加而呈指数增加。尽管原子的 激发电位和温度 T 使 Ni/N0 值有数量级的变化，但 Ni/N0 值本身都很小。或者说处于激发
态的原子数远小于处于基态的原子数。
实际工作中，T 通常小于 3000K、波长小于 600nm，故对大多数元素来说 Ni/N0 均小于
1%，可忽略不计。总之，温度对原子吸收分析的影响不大。
二、仪器构成
1.光源
作为光源要求能够发射待测元素的锐线光谱，且有足够的强度、光源产生的背景小、稳
定性好。一般采用空心阴极灯作为光源。
2.原子化器
原子化器可分为预混合型火焰原子化器、石墨炉原子化炉和氰化物反应器三种类型。火
焰原子化器由喷雾器、雾化室、燃烧器、火焰（内焰基态原子作为分析区）四部分组成。其
特点是操作简便、重现性好 。
a） 喷雾器
作用是将试样溶液转为雾状。要求性能稳定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高（可
用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液） 。
b） 雾化室
雾化室内部装有撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均匀） 用是将雾状溶液与 。作
各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并加入燃烧器。该类雾化器因雾化效率低（加入火焰
的溶液量与排出的废液量的比值小） 现已少用。目前多用超声波雾化器等新型装置。 ，
c） 燃烧器
产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。 单缝和三缝两种形式，
有 其高度和角度可调 让 （
光通过火焰适宜的部位并有最大吸收） 燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定（光 。
程、回火、堵塞、耗气量） 。
d） 火焰
火焰分焰心（发射强的分子带和自由基，很少用于分析） 内焰（基态原子最多，为分 、
析区）和外焰（火焰内部生成的氧化物扩散至该区并加入环境） 燃烧速度是指混合气着火 。
点向其它部分的传播速度。当供气速度大于燃烧速度时，火焰稳定。但过大则导致火焰不稳
或吹熄火焰，过小则可造成回火。
图 2. 天然气-空气火焰
表 1.不同类型火焰及其温度
石墨炉原子化炉由电源、保护系统和石墨管三部分组成。是一类将试样放置在石墨管
壁、石墨平台、碳棒盛样小孔或石墨坩埚内用电加热至高温实现原子化的系统。其中管式石
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墨炉是最常用的原子化器。原子化程序分为干燥、灰化、原子化、高温净化四个阶段。原子
化效率高，在可调的高温下试样利用率达 100% ，灵敏度高，其检测限达 10-6~10-14 ，还
有试样用量少的优点。
3.分光系统（单色器）
由出射、入射狭缝、反射镜和色散原件（棱镜或衍射光栅）组成。
单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线、 惰性气体发出的谱线以
及分析线的邻近线等与共振吸收线分开。
单色器的性能是指色散率、分辨率和集光本领。
4.检测器
由检测器（光电倍增管） 放大器、对数转换器和电脑组成。使用光电倍增管可直接得 、
到测定的吸收度信号。
三、分析过程
1. 简要操作步骤
首先打开工作气体阀门，调节好出口气体压力。
打开主机。打开计算机，待仪器自检完毕后，双击 AAS 图标，加入应用软件的开始菜
单界面。
选择待测元素，安装相应元素空心阴极灯。载入 cookbook，按照厂家设定好的分析方
法进行分析。分别调节光学参数，光源能量使仪器调整待测元素空心阴极灯光源能量在最佳
状态。
调节自动进样器各项设置，保证进样器最低点要高于炉中液面一个液滴的距离。
测定标样，制作标准曲线。
检测样品。通过调节原子化温度可以改善峰形。
关机。首先熄灭火焰，再退出 AAS 系统。关闭 AAS 主机电源和计算机电源。关闭工作
气体总阀，断开空气压缩机电源。关闭电源总开关。
2. 分析条件的选择
可以通过选择不同的分析分析线、 改变 Slit 宽度、 原子化条件和灯电流以改善测量条件。
2.1 分析线
通常选共振线为分析线（最灵敏线或且大多为最后线） 但不是绝对的。如 Hg185nm 比 ，
Hg254nm 灵敏 50 倍， 但前者处于真空紫外区， 气和火焰均对其产生吸收；
大 共振线 Ni232nm
附近 231.98 和 232.12nm 的原子线和 231.6nm 的离子
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