Techniklexikon

Atom-Emissionsspektroskopie

experimentelle Methode der Atomphysik zur Untersuchung der Lage atomarer Energieniveaus. Die Anfänge dieser Methode gehen zurück in die Mitte des 19. Jahrhunderts, als es Kirchhoff, Foucault und Bunsen gelang, Emissionsspektren von Natrium und anderen Elementen zu identifizieren und mit den Fraunhofer-Linien des Sonnenspektrums (Atomspektroskopie) in Verbindung zu bringen. Die Emissionsspektroskopie beruht auf der Tatsache, dass sich in Gasen bei hohen Temperaturen ein signifikanter Anteil der Atome in einem angeregten Zustand befindet; diese können durch Emission von Strahlung in einen energetisch tiefer liegenden Zustand übergehen. Die Energie für die Besetzung des angeregten Zustands erhalten die Atome durch Stösse untereinander, die bei hohen Temperaturen sehr viel wahrscheinlicher sind als bei niedrigen. Quantitativ lässt sich dieser Sachverhalt durch die Boltzmann-Verteilung beschreiben: Ist n₀ die Anzahldichte der Atome in einem bestimmten Zustand mit der Energie E₀, dann ist die Anzahldichte n_a der Atome in einem angeregten Zustand mit der Energie E_a gegeben durch:

.

Dabei sind g_a und g₀ die statistischen Gewichte der jeweiligen Zustände, d.h. die Anzahlen der entarteten Unterzustände, k_B ist die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur. Der prinzipielle Aufbau eines AES-Experimentes ist in Abb. 1 dargestellt: Das vom untersuchten Gas emittierte Licht wird durch einen Monochromator spektral zerlegt, und die Lichtintensität wird als Funktion der Lichtwellenlänge aufgenommen. Als Strahlungsquellen kommen dabei prinzipiell drei verschiedene Typen in Frage:

1) Flammen:

Die einfachste Form einer Flamme als spektroskopische Lichtquelle ist Kochsalz in einer Bunsenbrennerflamme. Durch die hohen Temperaturen werden die Na-Atome in einen angeregten Zustand versetzt. Man sieht das gelbe Licht der beiden Na-D-Linien. In der Praxis werden dagegen aufwendigere Anordnungen verwendet, bei denen kleine Tröpfchen einer Lösung des interessierenden Stoffes in einer Mischkammer mit den Gasen der Flamme, meist Luft und Acetylen, vorgemischt werden, bevor sie in den eigentlichen Brenner gelangen. Typische Temperaturen in Luft-Acetylen-Flammen liegen bei ca. 2600 K. In Flammen aus Stickoxiden und Acetylen werden ca. 3200 K erreicht.

2) Induktiv erzeugte Plasmen:

Dabei wird ein inertes Gas, meist Argon, durch ein System aus drei konzentrischen Glasröhrchen geleitet, wie in Abb. 2 dargestellt. Am Ende der Röhrchen befindet sich eine Induktionsspule, in der elektromagnetische Strahlung einer Frequenz von ca. 27 MHz und einer Leistung von bis zu 2 kW erzeugt wird. Diese Energie reicht aus, um ionisierte Atome derart zu beschleunigen, dass sie in Stössen weitere Atome ionisieren oder zur Strahlungsemission anregen. In das innere Glasröhrchen wird eine Mischung aus Tröpfchen einer Lösung des interessierenden Stoffes und Argon eingeleitet, so dass auch Atome des interessierenden Stoffes zur Strahlungsemission angeregt werden. Bei diesem Verfahren werden Temperaturen von 4000-10000 K erreicht.

3) Entladungsquellen:

Ebenso ist es möglich, den interessierenden Stoff in einer Entladung zur Strahlungsemission anzuregen. Dabei kommen die Bogenentladung sowie die Funkenentladung in Frage, die durch Gleich- bzw. Wechselströme erzeugt werden können. Man formt eine Elektrode der Entladungsröhre als Becher, in den der Stoff als Festkörper oder Lösung eingebracht wird. Teilweise ist es auch möglich, eine Elektrode direkt aus dem interessierenden Stoff herzustellen. Es kommen aber auch Gaseinlasssysteme, wie in 2) beschrieben, zum Einsatz.

Die verwendeten Monochromatoren sind meist Prismen-Spektrometer oder Gitter-Spektrometer. Als Lichtdetektoren werden wegen ihrer hohen Empfindlichkeit meist Sekundärelektronenvervielfacher (Photomultiplier) verwendet. Aber auch Photodioden oder photographische Filme kommen zum Einsatz. Die Anwendungen der AES liegen in der Elementaranalyse und der Konzentrationsbestimmung unbekannter Substanzen. In der Grundlagenforschung wird die AES seit ihren Anfängen dazu benutzt, die Lage atomarer Energieniveaus zu untersuchen. [SW]

Atom-Emissionsspektroskopie 1: Prinzipieller Aufbau eines AES-Experiments.

Atom-Emissionsspektroskopie 2: Plasma-Strahlungsquelle zur Erzeugung von Temperaturen im Bereich 4000-10 000 K.