Luận văn Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng

Nội dung tài liệu: Luận văn Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRỊNH THỊ LAN HƯƠNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Đình Trọng Hà Nội, 2017 i
2. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo – PGS.TS Lê Đình Trọng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy trong suốt quá trình làm khóa luận. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa vật lý Trường đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này. Cuối cùng em xin được cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên thực hiện Trịnh Thị Lan Hương ii
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Trong khi nghiên cứu tôi đã kế thừa nghiên cứu của các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu với sự trân trọng và biết ơn. Những kết quả nêu trong khóa luận chưa được công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên thực hiện Trịnh Thị Lan Hương iii
4. MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mở đầu Nội dung Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ ............................................................................................................. 3 1.1. Vài nét về lịch sử phổ ..................................................................................... 3 1.2. Sự phân loại phổ ............................................................................................ 4 1.2.1. Sự phân chia theo đặc trưng của phổ ......................................................... 4 1.2.2. Sự phân chia theo độ dài sóng ................................................................... 5 1.3. Sự xuất hiện phổ nguyên tử ........................................................................... 6 1.3.1. Tóm tắt về cấu tạo nguyên tử .................................................................... 6 1.3.2. Sự xuất hiện phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử ......................................... 7 1.4. Khái quát về phương pháp phân tích phổ nguyên tử ........................................ 9 1.4.1. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử ............................................ 10 1.4.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ............................................ 11 Chương 2. ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÁT XẠ VÀ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ .............................................................. 12 2.1. Đại cương về phân tích phổ phát xạ nguyên tử AES ................................ 12 2.1.1. Nguyên tắc của phép đo phổ phát xạ nguyên tử ...................................... 12 2.1.2. Đối tượng của phép đo phổ phát xạ ......................................................... 13 2.1.3. Nguồn kích thích phổ phát xạ nguyên tử ................................................. 13 2.1.4. Máy đo phổ phát xạ ................................................................................. 26 2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ phát xạ nguyên tử ..................... 29 2.1.6. Ưu điểm và nhược điểm của phép đo phổ phát xạ .................................. 31 2.2. Đại cương về phương pháp quang phổ hấp thụ ........................................ 31 2.2.1. Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ ...................................................... 31 iv
5. 2.2.2. Đối tượng của phép đo phổ hấp thụ ......................................................... 32 2.2.3. Nguồn phát bức xạ đơn sắc ...................................................................... 33 2.2.4. Máy đo phổ hấp thụ ................................................................................. 37 2.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ hấp thụ ...................................... 40 2.2.6. Ưu điểm và nhược điểm của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử................. 42 Chương 3. ỨNG DỤNG .......................................................................................... 44 3.1. Ứng dụng của phép đo phổ phát xạ nguyên tử AES ................................. 44 3.1.1. Khả năng và phạm vi ứng dụng ................................................................ 44 3.1.2. Ứng dụng phân tích định tính bằng AES ................................................. 45 3.2. Ứng dụng của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS ................................ 47 3.2.1. Khả năng và phạm vi ứng dụng ................................................................ 47 3.2.2. Ứng dụng của phương pháp nguyên tử hóa bằng ngọn lửa 48 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 50 v
6. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong thời đại công nghiệp và đô thị hóa hiện nay, môi trường sống của chúng ta bị ô nhiễm trầm trọng. Các chất thải từ các khu công nghiệp, các phương tiện giao thông vào không khí, nước, đất, thực phẩm chứa một lượng lớn các kim loại nặng độc hại. Chúng xâm nhập vào cơ thể người, động vật qua đường hô hấp, ăn uống dẫn đến sự nhiễm độc. Bên cạnh đó các nhà khoa học cũng chỉ ra rằng nhiều nguyên tố kim loại tham gia vào thành phần cấu trúc và quan trọng đối với cơ thể sống và con người. Sự thiếu hụt của nhiều nguyên tố kim loại vi lượng trong các cơ thể người như: canxi trong xương, sắt trong máu, phốt pho trong nhân tế bào... là những nguyên nhân dẫn đến suy nhược cơ thể và bệnh tật. Do đó việc nghiên cứu các kim loại cần thiết cũng như các kim loại độc hại trong môi trường nhằm đề ra các biện pháp bảo vệ và chăm sức khỏe cộng đồng là vô cùng quan trọng. Vậy câu hỏi đặt ra là làm thế nào để biết được sự có mặt của các nguyên tố kim loại trong các đối tượng vật chất khác nhau? Phương pháp nghiên cứu quang phổ nguyên tử ra đời đã đáp ứng được yêu cầu đó. Nó nghiên cứu cấu trúc vật chất dựa vào quang phổ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: khoa học kĩ thuật, y học, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, địa chất... Nhờ phương pháp này ta xác định được các kim loại. Ví dụ như Cr, Ni, Cu trong nước tiểu, Fe trong máu...Xác định được các nguyên tố Cd, Cu, Mo,Zn trong nước biển. Trong thiên văn cũng nhờ nghiên cứu quang phổ mà biết được thành phần cấu tạo của mặt trời và các vì sao... Hiện nay hai phương pháp phân tích quang phổ đang được sử dụng phổ biến là phân tích phổ phát xạ (AES) và hấp thụ nguyên tử (AAS). Nó là một trong những công cụ đắc lực để xác định các kim loại độc hại trong nghiên cứu bảo vệ môi trường. Ở nước ta phương pháp phân tích phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử cũng đã 1
7. được phát triển và ứng dụng trong hơn hai chục năm nay. Từ tầm quan trọng đó của phương pháp phân tích quang phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử mà em chọn đề tài “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng ’’. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu về phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử. - Tìm hiểu về ứng dụng của phương pháp quang phổ nguyên tử. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết của sự xuất hiện phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử. - Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp phân tích phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử. - Những ứng dụng cơ bản của chúng trong các lĩnh vực nghiên cứu. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp quang phổ nguyên tử. - Nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp này. 5. Phương pháp nghiên cứu Thu thập và nghiên cứu tài liệu. Tổng hợp lại những vấn đề cơ bản về phương pháp này và ứng dụng của nó, từ đó đi đến kết luận. 6. Cấu trúc khóa luận Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử. Chương 2: Đại cương về phương pháp phân tích phổ phát xạ và hấp thụ. Chương 3: Ứng dụng. 2
8. NỘI DUNG Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ 1.1. Vài nét về lịch sử phổ Từ năm 1670 đến 1672, Newton đã khám phá ra sự tán sắc ánh sáng giải thích việc ánh sáng đi qua lăng kính trở thành nhiều màu, và một thấu kính hay lăng kính sẽ hội tụ các ánh sáng màu trở thành ánh sáng trắng. Newton còn cho thấy ánh sáng màu không thay đổi tính chất bằng việc phân tích các tia màu và chiếu vào các vật khác nhau và ông chú ý rằng dù: phản xạ, tán xạ hay truyền qua màu sắc vẫn được giữ nguyên. Vì thế màu mà ta quan sát là kết quả vật tương tác với ánh sáng đã có sẵn màu sắc không phải là kết quả của vật tạo ra màu. Năm 1800, nhà thiên văn học Sir William Herschel đã làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy và nhiệt kế với bóng sơn đen để quan sát sự gia tăng nhiệt độ khi ông di chuyển từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng đỏ trong cầu vồng tạo ra từ ánh sáng mặt trời qua lăng kính. Ông đã phát hiện ra rằng điểm nóng nhất thực sự nằm phía trên ánh sáng đỏ. Bức xạ phát nhiệt này không thể nhìn thấy được, ông đặt tên cho bức xạ không nhìn được này là “tia nhiệt” (calorific ray) mà ngày nay chúng ta gọi nó là tia hồng ngoại. Năm 1801, Ritter quyết định làm lại thí nghiệm của Herschel, tuy nhiên mục đích chính của ông là quan sát xem tốc độ làm cho giấy bạc clorua chuyển màu của tất cả các ánh sáng có giống nhau hay không. Ritter phát hiện ra rằng tia hồng ngoại gần như không thể làm cho giấy chuyển màu và tia có ánh sáng màu tím làm cho giấy chuyển màu nhanh nhất. Năm 1802, William Hyde Wollatson phát hiện ra những vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ của ánh sáng mặt trời. Sau đó 12 năm Joseph Von Fraunhofer đã giải thích được nguyên nhân của những vạch tối đó là do các chất khí của mặt trời đã hấp thụ ánh sáng. 3
9. Từ năm 1860 đến 1861, nhà khoa học Robert Wilhelm Eberhard Bunsen cùng với Gustav Kirchhoff đã so sánh được bước sóng của những vạch Frauhofer khi nghiên cứu quang phổ phát xạ của nguyên tố bị nung nóng và phát hiện ra natri, sắt, magie, cacium, crom và những kim loại khác trên mặt trời. Trong những thí nghiệm này họ cũng phát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium. Năm 1865, lí thuyết điện từ của Jonh Clerk Maxwell khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học cho thấy ánh sáng chỉ là trường hợp riêng của sóng điện từ. Năm 1900, thuyết lượng tử ánh sáng của Planck ra đời ánh sáng hay bức xạ nói chung gồm những lượng tử năng lượng E được gọi là photon, phát ra từ nguồn sáng. Lượng tử ánh sáng E được tính theo hệ thức do Planck đề xướng: E = hv (v là tần số bức xạ). Năm 1919, Johannes Stark nghiên cứu ra hiệu ứng Doppler trong ánh sáng và sự tách các vạch phổ dưới tác dụng của từ trường. Từ năm 1900 đến nay hơn 25 giải Nobel được trao cho các nhà khoa học nghiên cứu về quang phổ. 1.2. Sự phân loại phổ Tuỳ theo quan niệm dựa theo điều kiện kích thích phổ, phương tiện thu ghi và quan sát phổ, cũng như bản chất của quá trình sinh ra phổ mà người ta có một số cách phân chia cơ bản sau: 1.2.1. Sự phân chia theo đặc trưng của phổ Theo cách này người ta có những phổ quang học sau: - Phổ nguyên tử, gồm có: phổ phát xạ nguyên tử, phổ hấp thụ nguyên tử, phổ huỳnh quang nguyên tử. Đây là phổ do sự chuyển mức năng lượng của các điện tử hóa trị của nguyên tử ở trạng thái khí (hơi) tự do, khi bị kích thích mà sinh ra. - Phổ phân tử, gồm có: phổ hấp thụ phân tử trong vùng UV-VIS, phổ hồng ngoại (IR và NIR), phổ tán xạ Raman. Phổ này được quyết định bởi các điện tử hóa trị của nguyên tử ở trong phân tử, đó là những điện tử hóa trị nằm trong liên kết hay 4
10. một cặp còn tự do, chuyển mức năng lượng khi bị kích thích. - Phổ Rơn-ghen (tia X), là phổ của điện tử nội của nguyên tử, gồm có: phổ phát xạ tia X, phổ huỳnh quang tia X, phổ nhiễu xạ tia X. - Phổ cộng hưởng từ, gồm có: cộng hưởng từ điện tử (ERMS), cộng hưởng từ proton hay hạt nhân (NRMS). - Phổ khối, phổ này được quyết định bởi khối lượng của các Ion phân tử hay các mảnh Ion của chất phân tích bị cắt ra (tỉ số m/z). 1.2.2. Sự phân chia theo độ dài sóng Như chúng ta đã biết, bức xạ điện từ có đủ mọi bước sóng, từ sóng dài hàng ngàn mét đến sóng ngắn vài micromet hay nanomet. Do đó phổ của bức xạ điện từ đầy đủ phải chứa hết tất cả các vùng sóng đó. Nhưng trong thực tế không có một dụng cụ quang học nào có thể có khả năng thu nhận, phân li hay phát hiện được toàn bộ vùng phổ như thế. Vì thế người ta chia phổ điện từ thành nhiều miền (vùng phổ) khác nhau. Đó là nguyên tắc của cách chia thứ hai này (Bảng 1.1). Trên đây là hai cách phân chia chính hay được sử dụng.Sự phân chia này có tính chất giới thiệu chung toàn bộ vùng phổ. Trong khóa luận này em chỉ đề cập đến phổ nguyên tử với hai phương pháp phân tích phổ nguyên tử hấp thụ và phát xạ. Bảng 1.1: Sự phân chia phổ theo độ dài sóng Số TT Tên vùng phổ Độ dài sóng 1 Tia gama () < 0.1 nm 2 Tia X 0.1 ÷ 5 nm 3 Tử ngoại 80 ÷ 400 nm 4 Khả kiến 400 ÷ 800 nm 5 Hồng ngoại 1÷ 400 μm 6 Sóng ngắn 400 ÷ 1000 μm 7 Sóng Rađa 0.1 ÷ 1 cm 8 Sóng cực ngắn 0.1 ÷ 50 cm 9 Tivi-FM 1÷ 10 m 10 Sóng rađio 10 ÷ 1500 m 5