Prinzip der Atomabsorption und Resonanzlinien
Die AAS misst, wie stark freie Atome eines Elements Licht ihrer eigenen Resonanzwellenlänge aus dem Grundzustand heraus absorbieren.
Das Wichtigste in Kürze
- 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.
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.
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.
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.
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.
Quiz
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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