原子分光法

物理学において、原子分光法は原子によって吸収および放出される電磁放射線の研究です。固有の元素には固有の放出スペクトルがあるため、原子分光法は元素組成の決定に適用されます。原子化源または使用される分光法の種類によって分類できます。後者の場合、主な区分は光学分析法と質量分析法です。質量分析法は一般に分析性能が大幅に優れていますが、大幅に複雑でもあります。この複雑さは、購入コストの増加、運用コストの増加、オペレーターのトレーニングの増加、および潜在的に故障する可能性のあるコンポーネントの数の増加につながります。光学分光法は多くの場合安価であり、多くのタスクに十分な性能を備えているため、はるかに一般的です。^[要出典]原子吸光分光計は、最も一般的に販売および使用されている分析装置の1つです。

電子は原子内のエネルギー レベル (つまり原子軌道) に存在します。原子軌道は量子化されており、連続的ではなく定義された値として存在します (原子軌道を参照)。電子は軌道間を移動できますが、その際には、その原子の特定の量子化された軌道エネルギー レベル間のエネルギー差に等しいエネルギーを吸収または放出する必要があります。光学分光法では、電子をより高いエネルギー レベル (より高い軌道) に移動するために吸収されるエネルギー、および/または電子がより低いエネルギー レベルに移動するときに放出されるエネルギーは、光子(光粒子) の形で吸収または放出されます。各元素には固有の数の電子があるため、原子はその元素 ID (Ca、Na など) に固有のパターンでエネルギーを吸収/放出し、したがってそれに応じて固有のパターンで光子を吸収/放出します。サンプル内に存在する原子の種類、またはサンプル内に存在する原子の量は、光の波長と光強度のこれらの変化を測定することで推測できます。

原子分光法は、さらに原子吸光分光法と原子発光分光法に分けられます。原子吸光分光法では、所定の波長の光が原子の集合体を通過させられます。光源光の波長が原子の 2 つのエネルギー レベル間のエネルギー差に対応するエネルギーを持っている場合、光の一部が吸収されます。光源 (ランプなど) から放射される光の強度と検出器によって収集される光の強度の差から、吸光度の値が得られます。この吸光度の値を使用して、サンプル内の特定の元素 (または原子) の濃度を決定できます。原子の濃度、原子の集合体を通る光の距離、および吸収される光の割合の関係は、ランベルト・ベールの法則によって与えられます。原子発光分光法では、放射される光の強度は原子の濃度に正比例します。

発生源はさまざまな方法で適応できますが、以下のリストはいくつかの発生源の一般的な用途を示しています。これらのうち、炎は低コストでシンプルなため、最も一般的です。それほど一般的ではありませんが、誘導結合プラズマは、特に質量分析計と併用すると、優れた分析性能と汎用性で知られています。

すべての原子分光法では、サンプルを気化および原子化する必要があります。原子質量分析では、サンプルをイオン化する必要もあります。気化、原子化、イオン化は、多くの場合、単一のソースで実行されますが、常に実行されるわけではありません。あるいは、1 つのソースを使用してサンプルを気化させ、別のソースを使用して原子化 (およびイオン化) することもできます。この例としては、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ原子発光分析法があります。この方法では、レーザーを使用して固体サンプルを気化させ、誘導結合プラズマを使用して蒸気を原子化します。

原子吸光分光法で最も一般的に使用される炎とグラファイト炉を除いて、ほとんどの光源は原子発光分光法に使用されます。

液体のサンプリング源には、炎と火花 (原子源)、誘導結合プラズマ (原子とイオン源)、グラファイト炉 (原子源)、マイクロ波プラズマ (原子とイオン源)、直流プラズマ(原子とイオン源) などがあります。固体のサンプリング源には、レーザー (原子と蒸気源)、グロー放電 (原子とイオン源)、アーク (原子とイオン源)、火花 (原子とイオン源)、グラファイト炉 (原子と蒸気源) などがあります。ガスのサンプリング源には、炎 (原子源)、誘導結合プラズマ (原子とイオン源)、マイクロ波プラズマ (原子とイオン源)、直流プラズマ (原子とイオン源)、グロー放電 (原子とイオン源) などがあります。

任意の原子には、その原子の波動関数を特定できる量子数が存在します。水素原子を例にとると、システムの状態を完全に記述するには 4 つの量子数が必要です。量子数は、システムの物理的側面を記述するために波動関数と交換可能な演算子の固有値であり、このため「良い」数と呼ばれます。^[1]特定の原子遷移に対して良い量子数が見つかると、選択ルールによって量子数のどのような変化が許容されるかが決まります。

水素原子の電気双極子 (E1) 遷移は、量子数l (軌道角運動量量子数)、m _l (磁気量子数)、m _s (電子スピン量子数)、およびn (主量子数) で記述できます。電気双極子モーメント演算子μ がシステムの波動関数に与える影響を評価すると、量子数の変化が特定のパターンに従う場合を除いて、固有値のすべての値が 0 であることがわかります。

$${\displaystyle \langle \Psi _{nlm_{l}m_{s}}|\mu |\Psi _{n'l'm_{l}'m_{s}'}\rangle }$$

たとえば、E1 遷移では、Δ l = ± 1、Δ m _l = 0 または ± 1、Δ m _s = 0、および Δ n = 任意の整数でない限り、上記の式はゼロに等しい値を生成し、遷移は「禁制遷移」と呼ばれます。たとえば、これは Δ l = 2 などの特定の場合に発生します。この場合、遷移は許可されないため、許可された遷移よりもはるかに弱くなります。量子数の変化のこれらの特定の値は、許可された遷移の選択規則として知られており、一般的な遷移について次の表に示されています。

• 冷蒸気原子蛍光分光法
• 原子スペクトル線

ウィキメディア・コモンズには、原子スペクトルに関連するメディアがあります。

• 分析原子分光法の展望 – 原子分光法の 5 つの主要分野 (吸収、発光、質量、蛍光、イオン化分光法) の傾向
• シミュレーションによる学習 – さまざまな原子の吸収スペクトルと発光スペクトル
• 原子分光法: 基本的な考え方、表記、データ、および公式の概要