Wykład - diagnostyka spektroskopowa

Nasza ocena:

3
Pobrań: 175
Wyświetleń: 812
Komentarze: 0
Notatek.pl

Pobierz ten dokument za darmo

Podgląd dokumentu
Wykład - diagnostyka spektroskopowa - strona 1 Wykład - diagnostyka spektroskopowa - strona 2 Wykład - diagnostyka spektroskopowa - strona 3

Fragment notatki:

Zakład Chemii Analitycznej
Kurs: "Spektroskopia atomowa i molekularna"
Ćwiczenie:
SPEKTROSKOPOWA DIAGNOSTYKA PLAZMY Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z wybranymi metodami spektroskopowej diagnostyki plazmy. Zadaniem diagnostyki jest wyznaczenie parametrów określających stan plazmy. Najważniejszymi z nich są energie (temperatury) i koncentracje składników (elektronów, atomów, jonów, cząsteczek) oraz stopień jonizacji atomów. Spektroskopowe metody wyznaczania parametrów plazmy opierają się na prawach rządzących plazmą (prawo Boltzmanna, Saha) i wymagają pomiaru natężeń linii spektralnych (pasm molekularnych dla cząsteczek).
WPROWADZENIE
W fizyce, plazmą nazywa się czwarty stan skupienia materii, czyli gaz będący mieszaniną cząstek obojętnych i naładowanych (atomów, jonów, rodników, cząsteczek), elektronów i fotonów. Atomy, jony i cząsteczki mogą być w plazmie w swoich podstawowych stanach energetycznych jak i w stanach wzbudzonych. W skrajnym przypadku - gazu całkowicie zjonizowanego, możemy mieć do czynienia z mieszaniną jonów i elektronów ( a nawet elektronów i protonów), przy czym ładunki dodatni i ujemny układu w przybliżeniu są takie same. Plazma, tzw. wysokotemperaturowa, jest naturalnym, samoistnym stanem skupienia materii we wszechświecie i stanowi ok. 99,9% materii wszechświata. W warunkach ziemskich, plazmę wytwarzamy w laboratoriach, w różnych urządzeniach technicznych (źródłach plazmy). Jest to tzw. plazma niskotemperaturowa, która jest stanem niesamoistnym, czyli jej utrzymanie wymaga stale podtrzymywania zewnętrznymi źródłami energii. Plazma ma rozliczne zastosowania m.in. w: - chemii analitycznej (plazmowe źródła wzbudzenia w spektrometrii emisyjnej - plazma sprzężona indukcyjne, plazma mikrofalowa czy lasery),
- plazmochemii (niekonwencjonalne syntezy chemiczne, produkcja kryształów, sferodoizacja cząstek), - inżynierii materiałowej (plazmowe nanoszenie cienkich warstw, modyfikacja własności powierzchni, cięcie metali), - metalurgii (metalurgiczne piece plazmowe, topienie materiałów ceramicznych).
1. Podstawy spektroskopowej diagnostyki plazmy
1.1. Temperatura i równowaga termodynamiczna w plazmie
Z punktu widzenia fizyki i diagnostyki plazmy, można wyróżnić: plazmy będące w stanie lokalnej równowagi termicznej (LRT, bądź ang. LTE - Local Thermal Equilibrium), zwane także termicznymi, plazmy będące w stanie częściowej lokalnej równowagi termicznej (cLRT, ang. pLTE) oraz plazmy nierównowagowe. Stan plazmy ustala się w wyniku rozdziału dostarczanej energii (np. energia nabywana w polu elektrycznym źródła plazmy) na różne rodzaje energii i między różne rodzaje cząstek. Rozdział ten odbywa się poprzez zderzenia, sprężyste i niesprężyste, głównie elektronów z innymi cząstkami plazmy. Przy odpowiednio dużej prędkości wymiany energii na drodze zderzeń różnych cząstek tworzących plazmę (czemu sprzyja np. wysokie ciśnienie i duża gęstość elektronów) powstają warunki do osiągnięcia stanu w którym wszystkie procesy, za wyjątkiem procesów spontanicznej emisji i absorpcji promieniowania, są równoważone przez procesy do nich odwrotne. Plazma zbliża się w ten sposób do osiągnięcia równowagi termodynamicznej. Można wówczas założyć, że

(…)

… promieniowania Iki można zapisać w postaci
(7)
gdzie: λ - długość fali danej linii emisyjnej, h - stała Plancka, c - prędkość światła, k - stała Boltzmanna.
Temperatura Twzb we wzorze (7) nosi nazwę temperatury wzbudzenia (patrz punkt 1.1.).
Przekształcając równanie (7) do postaci:
(8)
i stosując je do grupy linii emitowanych przez analizowany atom (jon) otrzymuje się liniową zależność wyrażenia po lewej…
… przyjmuje się za równą zero, i w różnych stanach wzbudzonych o energii Ek. Stan wzbudzenia charakteryzuje się zbiorem liczb kwantowych. Zwykle jednej wartości energii układu odpowiada wiele stanów kwantowych układu, ponieważ na każdej powłoce energetycznej mogą znajdować się elektrony różniące się wartościami liczb kwantowych. Mówimy wówczas, że dany poziom jest zdegenerowany. Ilość możliwych stanów kwantowych o tej samej energii Ek nazywa się wagą statystyczną danego poziomu wzbudzonego i oznacza przez gk. Waga statystyczna poziomu scharakteryzowanego liczbą kwantową j wyraża się jako 2j+1.
Liczbę atomów lub jonów wzbudzonych do pewnego poziomu energetycznego nazywa się populacją bądź obsadzeniem tego poziomu i wyraża w cm-3 (m-3). Jeżeli przez Nk oznaczymy równowagową populację poziomu o energii Ek…
… tytanowymi bądź cyrkonowymi, pracującego w atmosferze "resztkowej" bądź w atmosferze azotu lub w mieszaninie azotu i acetylenu. Plazma taka służy do nanoszenia cienkich warstw metalicznych tytanu i cyrkonu, warstw azotków (TiN, ZrN), bądź Ti(C,N) lub Zr(C,N). Informacje dotyczące warunków generowania i rejestracji otrzymanych widm poszczególne grupy studenckie dostają na kartce. Na innym arkuszu…
... zobacz całą notatkę



Komentarze użytkowników (0)

Zaloguj się, aby dodać komentarz