Atomabsorption (AAS)

Prinzip der Atomabsorption und Resonanzlinien

Die AAS misst, wie stark freie Atome eines Elements Licht ihrer eigenen Resonanzwellenlänge aus dem Grundzustand heraus absorbieren.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Die Atomabsorption ist die Lichtaufnahme durch freie, neutrale Atome eines Elements. Die AAS misst diese Absorption, nicht die Emission angeregter Atome.
  • Voraussetzung ist die Atomisierung der Probe. Ionisierung ist unerwünscht, besonders beim leicht ionisierbaren Kalium.
  • Fast alle Atome liegen im Grundzustand vor. Geeignet sind daher nur Resonanzübergänge, die dort beginnen.
  • Die Natrium-D-Linie (589 nm, \(3s \rightarrow 3p\)) ist eine Resonanzlinie. Sie ist in Emission und Absorption nutzbar.
  • Kalium wird im Sichtbaren gemessen, Zn, Cd, Hg, Pb und Al im UV.
  • Nach Lambert-Beer sinkt die Intensität des austretenden Messlichts mit steigender Elementkonzentration.

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Worum es geht

Die Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) bestimmt Metalle über die Lichtaufnahme freier Atome. Sie gehört zu den optischen Verfahren und dient in der Pharmazie vor allem dem Nachweis von Schwermetallspuren und der Gehaltsbestimmung von Elementen wie Kalium oder Zink.

Absorption durch freie Atome

Die Atomabsorption ist die Aufnahme von Licht durch freie Atome des zu bestimmenden Elements. Ein Photon passender Energie hebt ein Elektron auf ein höheres Niveau. Die Atome werden also optisch angeregt. Gemessen wird, wie stark der Lichtstrahl dabei von \(I_0\) auf \(I\) geschwächt wird.

Das unterscheidet die AAS von der Atomemission. Dort misst man das Leuchten angeregter Atome. Anders als bei der Raman-Spektroskopie entstehen auch keine Streulinien, denn das Signal ist reine Absorption.

Schema eines Lichtstrahls, der durch eine Wolke freier Atome geht und dabei an Intensität verliert.

Prinzip der Atomabsorption: Freie Atome schwächen das eingestrahlte Licht ihrer Resonanzwellenlänge von I0 auf I.

Voraussetzung ist die Atomisierung: Die Salze der Probe müssen in freie Atome zerfallen, etwa \(\ce{KCl}\) in K- und Cl-Atome. Wie das gelingt, zeigt die Seite zur Atomisierung. Absorbieren sollen neutrale Atome. Eine Ionisierung ist deshalb nicht nötig, sie stört sogar. \(\ce{K+}\) hat ein anderes Termschema und absorbiert die Kaliumlinie nicht. Das leicht ionisierbare Kalium verliert so Signal.

Grundzustand und Resonanzlinien

Der Grundzustand ist der energieärmste Elektronenzustand eines Atoms. Selbst in der heißen Flamme liegen fast alle Atome darin vor. Bleiatome etwa absorbieren nahezu ausschließlich aus dem Grundzustand. Brauchbar sind daher nur Übergänge, die dort beginnen. Übergänge zwischen angeregten Zuständen sind ungeeignet, weil diese kaum besetzt sind.

📖 Definition: Resonanzlinie

Spektrallinie eines Übergangs mit dem Grundzustand als unterem Niveau. Das Atom absorbiert sie bei derselben Wellenlänge, die es im angeregten Zustand emittiert.

Die AAS regt das Element daher mit seiner eigenen Resonanzlinie an. Das Paradebeispiel ist die Natrium-D-Linie bei 589 nm (\(3s \rightarrow 3p\)). Sie dient in Emission wie Absorption zur Natriumbestimmung. Im Termschema wählt man also den Pfeil, der vom 3s-Niveau ausgeht. Woher das Licht dieser Wellenlänge stammt, erklärt die Seite zur Lichtquelle.

Energieniveauschema des Natriumatoms mit Pfeilen für Absorption von 3s nach 3p und Emission von 3p nach 3s bei 589 nm.

Termschema von Natrium: Die D-Linie verbindet den Grundzustand 3s mit 3p und wird in Absorption wie Emission bei 589 nm beobachtet.

Messwellenlängen

Die Resonanzlinien der meisten Metalle liegen im UV. Zink, Cadmium, Quecksilber, Blei und Aluminium misst man deshalb unterhalb von 400 nm. Nur Alkalimetalle mit ihrer leicht anregbaren s-Schale absorbieren im Sichtbaren: Natrium bei 589,0 nm, Kalium bei 766,5 nm im roten Bereich.

Wellenlängenskala mit den AAS-Messlinien von Zink, Cadmium, Quecksilber, Blei, Aluminium im UV und Natrium, Kalium im sichtbaren Bereich.

Lage typischer AAS-Messlinien: Alkalimetalle im Sichtbaren, Schwermetalle und Aluminium im UV.

Lambert-Beer-Gesetz in der AAS

Die quantitative AAS beruht auf dem Lambert-Beer-Gesetz. Die Extinktion steigt proportional zur Atomkonzentration in der Flamme:

\[A = \lg\frac{I_0}{I} = \varepsilon \cdot c \cdot d\]

Je mehr Atome im Strahl sind, desto mehr Photonen fehlen. Die Intensität \(I\) des austretenden Messlichts sinkt also mit steigender Konzentration. Wie man daraus Gehalte bestimmt, zeigt die Kalibrierung.

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Aussage 1

Die Intensität des aus der Flamme austretenden Messlichts nimmt mit steigender Konzentration des Elements zu.

Mehr Atome absorbieren mehr Photonen. Nach Lambert-Beer nimmt die austretende Intensität daher ab.

Aussage 2

Im Termschema von Natrium eignet sich für die AAS der Übergang vom 3s-Niveau zum 3p-Niveau.

Er geht vom besetzten Grundzustand 3s aus und entspricht der Resonanzlinie bei 589 nm.

Aussage 3

In der AAS tragen vor allem Kationen des Elements zur Lichtabsorption bei, weshalb eine möglichst vollständige Ionisierung angestrebt wird.

Es absorbieren neutrale, freie Atome. Ionisierung ist unerwünscht, weil Ionen die Resonanzlinie des Atoms nicht absorbieren.

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