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原子發射:讓原子自己發光

我們不向原子照光,而可以把它們加熱到發光,直接讀它們放出的顏色。從樸素的火焰光度計到熾烈的電漿炬,本篇展示發射法如何讓我們一次測量許多元素。

略過燈——直接看它們發光

吸收法需要一盞外來的燈,因為原子安靜地待在那兒,等著吞光。但如果我們把原子加熱到足夠燙,就由我們自己把它的電子踢上能級樓梯;當這些電子翻滾落下時,原子不需要任何燈,就閃出自己的光。測量這種自發的輝光,就是原子發射光譜法,簡稱 AES。

放出來的顏色,又一次是這種元素自己的發射線——正是它本會吸收的那些波長。發射法相比吸收法有一個可愛的優勢:既然原子自己供光,一個高溫光源就能讓樣品裡的*每一種*元素同時發光。配上合適的檢測器,你可以一次讀出許多元素,而不必每種元素換一盞燈。

最簡單的情形:火焰光度計

最友好的發射儀器,就是廚房裡那團黃火焰背後的東西。火焰光度法把樣品噴進火焰,單純測量它在某種元素的顏色上發得有多亮。它便宜,又極適合少數容易被激發的金屬——鈉、鉀、鋰、鈣——它們即使在並不強烈的火焰裡也會爽快地發光。

幾十年來,醫院化驗室就是這樣測血液裡的鈉和鉀,至今仍用它來測這些簡單又含量豐富的元素。但火焰最高也就到兩千度上下——足以激發幾種容易的元素,卻遠遠不夠燙,讓大多數金屬發出有用的光。要夠到週期表的其餘部分,發射法需要某種燙得多、多得多的東西。

電漿炬:實驗臺上的一顆小恆星

突破口是電感耦合電漿,簡稱 ICP。氬氣在炬管裡旋轉,同時一個強大的射頻線圈把能量灌進去,撕掉電子、點燃一團發光、能導電的氣體——電漿。它能達到大約一萬度,比太陽表面還燙。在這般凶猛之下,幾乎每一種元素都能乾淨地原子化、明亮地發光。

把這把炬接到一臺能把發出的光攤開、一次讀取許多譜線的儀器上,你就得到了ICP-OES(光學發射光譜法,有時也叫 ICP-AES)。注一次樣,它就能把二三十種元素一起報出,每種各占自己的譜線——比起一次測一種元素,這是巨大的飛躍。

一個更安靜的表親:原子螢光

這個家族裡還有第三位值得認識的成員:原子螢光光譜法。在這裡,我們向原子照光把它激發(像吸收),然後測量它片刻之後重新放出的光(像發射)。訣竅在於:我們偏到一側去看,避開射入的光束,襯著一片黑暗的背景——於是哪怕極微弱的輝光也能銳利地凸顯出來。

因為你是在一片漆黑中尋找一點光,而不是在一束亮光裡尋找一點變暗,原子螢光對少數幾種元素可以異常靈敏——汞和砷是經典例子。它是專家的工具,而非通用主力,但對那寥寥幾種元素的超痕量測定來說,很難有對手。

在發射工具中作選擇

一張快速對照,看每種各自適合什麼時候:

  1. 火焰光度法:便宜、簡單,但只適用於鈉、鉀這類容易激發的金屬。
  2. ICP-OES:高溫電漿,一次測量週期表大部分元素——日常的多元素主力。
  3. 原子螢光:一種專門工具,對汞、砷等少數元素能達到最低的檢測水平。