Ảnh hưởng của quá trình tự hấp thụ lên quang phổ vạch phát xạ của nhôm (396, 152nm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - NGUYỄN THỊ HIỀN ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TỰ HẤP THỤ LÊN QUANG PHỔ VẠCH PHÁT XẠ CỦA NHÔM (396,152 nm) LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 2016 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - NGUYỄN THỊ HIỀN ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TỰ HẤP THỤ LÊN QUANG PHỔ VẠCH PHÁT XẠ CỦA NHÔM (396,152 nm) Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH NGỌC HOÀNG Nghệ An, 2016 ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi tới thầy giáo – TS.Trịnh Ngọc Hoàng lời biết ơn sâu sắc chân thành Thầy người trực tiếp giao đề tài hướng dẫn tận tình, giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Vật Lý Công Nghệ, anh chị bạn giúp đỡ, tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu hồn thành tốt luận văn Cuối tơi xin cảm ơn người thân yêu gia đình ln động viên cổ vũ để tơi hồn thành tốt luận văn Nghệ An, tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Hiền iii MỤC LỤC MỤC LỤC iii BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VẬT LÝ vii MỞ ĐẦU .1 Chương CẤU TRÚC PHỔ CỦA NHÔM 1.1 Sơ đồ mức lượng Nhôm 1.1.1 Đại cương nguyên tố Nhôm .4 1.1.2 Đặc trưng liên kết [L,S] 1.1.3 Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế nguyên tử Nhôm 14 1.2 Các vạch phổ đặc trưng Nhôm 24 Kết luận chương .25 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TỰ HẤP THỤ LÊN QUANG PHỔ VẠCH PHÁT XẠ CỦA NHÔM (396,152 nm) 26 2.1 Sự xuất vạch quang phổ nguyên tắc đo phổ phát xạ 26 2.2 Ảnh hưởng trình tự hấp thụ lên quang phổ vạch phát xạ Nhôm (396,152 nm) ……………………………… ……… 27 2.2.1 Hiện tượng tự hấp thụ (Self- absorption)…… 27 2.2.2 Ảnh hưởng trình tự hấp thụ lên quang phổ vạch phát xạ Nhôm (396,152 nm) 39 Kết luận chương 44 KẾT LUẬN CHUNG ………………………………………………….…… 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….… …46 iv BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU DIỄN GIẢI [L, S] Liên kết Russell – Saunder LIP Pulsed laser-induced plasmas (Plasma tạo laser) Laser-induced breakdown LIBS spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser) MPI Multi-photon ionization International Annealed Copper IACS Standard (Tiêu chuẩn luyện Đồng quốc tế) Atomic Emission Spectrocopy AES (Phương pháp đo phổ phát xạ nguyên tử) Laser HWHM YAG Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Full Width at Half Maximum Neodymium – doped Yttrium Aluminium Garnet v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 – Kim loại Nhôm cấu trúc nguyên tố Nhôm .4 Hình 1.2 – Các trạng thái cấu hình s p1 16 Hình 1.3 – Các trạng thái cấu hình s n d 19 Hình 1.4 – Các trạng thái cấu hình s n p1 20 Hình 1.5 – Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức lượng Nhơm 23 Hình 1.6– Sơ đồ vạch phổ đặc trưng Nhôm (396,152 nm) Nhôm (394,400 nm) 24 Hình 2.1 – Mơ tả hình dạng phổ tác động tự hấp thụ 34 Hình 2.2 – Mối quan hệ tuyến tính cường độ I nồng độ C 35 Hình 2.3 – Sự phụ thuộc tỉ số bước sóng vào hệ số tự hấp thụ theo thực nghiệm dự đoán lý thuyết……………… 38 Hình 2.4 – Sự phụ thuộc tỉ số cường độ vạch phổ vào hệ số tự hấp thụ theo thực nghiệm dự đốn lý thuyết……………………………………… 39 Hình 2.5–Sự phụ thuộc cường độ vạch quang phổ phát xạ Nhôm (396,152 nm) vào nồng độ C 41 Hình 2.6 – Đồ thị mối quan hệ I-C miền 0,02- 0,2 % 42 Hình 2.7 – Đồ thị mối quan hệ I-C miền 0,3- 0,9 % 42 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Thứ tự Nội dung Trang Bảng 1.1 Thuộc tính vật lý nguyên tử Nhôm Bảng 1.2 Bảng 1.3 Giá trị số lượng tử S tương ứng với số điện tử Bảng tóm tắt số hạng trạng thái mức lượng kích thích tương ứng 21,22 Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ Bảng 2.1 phát xạ Nhôm (396,152 nm) ứng với nồng độ khác 40,41 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VẬT LÝ Đại lượng Diễn giải L Số lượng tử quĩ đạo S Spin ms Số lượng tử từ spin J Mômen động lượng tổng cộng L Mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng S Mômen spin tổng cộng  Độ bội ML Hình chiếu mơmen quỹ đạo tồn phần MS Hình chiếu mơmen spin tồn phần E Năng lượng tương tác Q Số điện tử  LJ EJ , J 1 Số hạng sơ đồ điện tử Khoảng cách hai mức liền kề J J + E0 Năng lượng nguyên tử trạng thái En Năng lượng nguyên tử trạng thái kích thích h Hằng số Plank c Vận tốc ánh sáng  Tần số xạ  Bước sóng xạ viii Amo Nk, Ni Xác suất chuyển mức nguyên tử AO Số nguyên tử kB Hằng số Boltzman m Khối lượng nguyên tử k Thời gian sống I Cường độ vạch quang phổ C Hàm lượng nguyên tố khảo sát mẫu a Hằng số điều kiện thực nghiệm b Hệ số hấp thụ T Nhiệt độ me Khối lượng electron R Hệ số phản xạ  Hệ số làm chậm  Hệ số hấp thụ lượng laser Ej Năng lượng ion hoá MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Phương pháp phân tích phổ phát xạ nguyên tử kỹ thuật phân tích hóa lý phát triển rộng rãi nhiều ngành khoa học nhiều nước giới, đặc biệt nước phát triển phương pháp tiêu chuẩn để phân tích lượng vết kim loại nhiều đối tượng mấu khác đất, khơng khí, thực phẩm… Đây phương pháp xác định nồng độ hay hàm lượng hay số nguyên tố mẫu phân tích cách đo cường độ vạch phổ phát xạ ngun tố mẫu kích thích Cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tố phụ thuộc vào nhiều yếu tố nồng độ nguyên tử mẫu, điều kiện khảo sát, điều kiện hóa hơi…… Tuy nhiên, q trình phát xạ vạch phổ có q trình phụ khác ảnh hưởng đến cường độ vạch phổ phát xạ: trình bay hơi, trình tự hấp thụ, trình ion hóa… Trong đó, q trình tự hấp thụ - tượng nguyên tử có khả hấp thụ tia xạ nguyên tử khác loại chúng phát Đặc biệt, nguyên tử hấp thụ tia xạ mà phát q trình phát xạ (định luật Kirschhoff) q trình có ảnh hưởng không nhỏ lên cường độ vạch phổ [2] [4] Trong nhiều nghiên cứu sử dụng phân tích phổ hấp thụ hay phát xạ kim loại Nhơm (Al) nguyên tố đặc biệt ý đến Bởi nguyên tố Nhôm nguyên tố đa vi lượng có mặt hầu hết thể sống Nguyên tố nguyên tố ứng dụng nhiều ngành nghề chế tạo Chính vậy, khảo sát quang phổ phát xạ Nhơm có để ý đến q trình tự hấp thụ cần thiết Do tơi chọn đề tài: “Ảnh hưởng trình tự hấp thụ lên quang phổ vạch phổ phát xạ Nhôm (396,152 nm)” làm đề tài luận văn tốt nghiệp 33 lượng mà nguyên tử lạnh hấp thụ phần biến thành nhiệt năng, phần biến thành nguồn xạ thứ cấp tức làm cho lớp nguyên tử, xung quanh plasma trở thành nguồn phát xạ Do có tượng tự hấp thụ mà cường độ phát xạ nguyên tử kích thích phát bị giảm độ giảm tính sau: [11] I= I e z (2.10) Trong đó: I0: Cường độ ban đầu  : Hệ số hấp thụ phụ thuộc nồng độ trung bình nguyên tử hấp thụ z : Độ dày môi trường hấp thụ Qua biểu thức lượng quang lớn, độ dày lớp nồng độ trung bình ngun tử có lớp lớn (tức  , z lớn) tượng tự hấp thụ mà vạch phổ chẻ làm đơi quang tử bị hấp thụ còn hai bên nhòe tán xạ nguồn thứ cấp Phần hấp thụ Phổ phát xạ chưa xẩy tự hấp thụ Phổ phát xạ sau xẩy tự hấp thụ Hình 2.1 Mơ tả hình dạng phổ tác động tự hấp thụ [11] 34 Ảnh hưởng trình “tự hấp thụ” làm cho cường độ vạch quang phổ không tăng theo nồng độ mà ngược lại người ta thấy cường độ vạch quang phổ phát xạ giảm nồng độ tăng [11] Khi nồng độ nguyên tử mẫu tăng lên, khả tự hấp thụ tăng không còn quan hệ tuyến tính nồng độ nguyên tử phát xạ cường độ quang phổ vạch phát xạ Đặc biệt, “tự hấp thụ“ xảy tất nguồn phát mức độ dù nguồn đồng khơng đồng Trong mơ hình đơn giản tự hấp thụ, cho thấy mức độ tự hấp thụ phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử ion phát xạ [13] Trong luận văn này, nghiên cứu trình tự hấp thụ trạng thái plasma Ở trạng thái plasma, tượng xảy nguyên tử có khả hấp thụ tia xạ nguyên tử khác loại chúng phát Hiện tượng thường xảy mạnh chủ yếu vạch cộng hưởng, vạch phổ phát xạ nguyên tố, nồng độ lớn, tượng xảy mạnh Chính tượng này, mà đưa đến kết làm cho cường độ vạch phổ phát xạ I không phụ thuộc tuyến tính vào C Mặt khác, cường độ vạch phổ tính theo cơng thức: [4,tr 43] I = a C b Trong đó: a số phụ thuộc điều kiện thực nghiêm; b số phụ thuộc trình tự hấp thụ 35 I Ix Cx C Hình 2.2 - Mối quan hệ tuyến tính cường độ I nồng độ C [2, tr 192] Thực nghiệm cho thấy b phụ thuộc vào nhiều vào chất mẫu từng loại nguyên tố mẫu Gía trị b nhận giá trị nhỏ b nhỏ lúc trình tự hấp thụ xảy Qúa trình tự hấp thụ xảy mạnh b nhỏ tức nồng độ C lớn Chính vậy, b số đặc trưng cho q trình tự hấp thụ mỡi loại ngun tử [4] Hay nói cách khác, hệ số tự hấp thụ sở để đánh giá cho ảnh hưởng trình tự hấp thụ lên cường độ vạch phổ phát xạ Tiếp tục xét môi trường plasma đồng nêu trên, cường độ vạch phổ phát xạ dọc theo dòng photon tương ứng với dịch chuyển hai mức nguyên tử hay ion mức i mức j Được tính theo cơng thức: [9] I = 8hc n j g i (1- eb ( )l ) 50 ni g j (2.11) 36 Trong đó: h: số Plank, c vận tốc ánh sáng; b: hệ số hấp thụ, l chiều dài hấp thụ; 0 : bước sóng trung tâm q trình dịch chuyển ni , n j , g i , g j mật độ nguyên tử trọng số thống kê ứng với mức mức dưới; Đối với hệ số hấp thụ b(  ) xác định hàm số Voigt (là tích chập hai đường Gaussian Lorentzian) Trong đó, chiều rộng đường cong Lorentzian giới hạn mở rộng Stak, chiều rộng đường cong Gaussian giới hạn mở rộng Dopller Tuy nhiên, trình quang phổ phát xạ chiều rộng đường Gaussian khơng đáng kể so với chiều rộng đường Lorentzian hay G