Khảo sát sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) vào năng lượng chùm Laser kích thích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
-------------

BÙI VĂN ĐẶNG

KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ
CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,152 nm) VÀO NĂNG
LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH
Chuyên ngành:
Mã số:

Quang học
60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRỊNH NGỌC HOÀNG

Nghệ An, 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt khóa học và luận văn này, tôi đã nhận được sự
động viên, giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Thông qua luận văn, tôi
xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS. Trịnh Ngọc
Hoàng. Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu Trường
THPT Tây Ninh, Tổ Vật Lý Trường THPT Tây Ninh đã tạo điều kiện tối đa,

và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian tôi đi học.
Tôi xin cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Vật Lý và
Công Nghệ - Trường Đại học Vinh đã nhiệt tình giảng dạy, truyền thụ những
kiến thức khoa học trong thời gian tôi tham gia học tập tại nhà trường.
Tôi xin cảm ơn tất cả các học viên cao học khóa 21 ngành Quang học
- Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ tôi để luận văn hoàn thành trong thời gian
nhanh nhất.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thành phố Vinh, tháng 05 năm 2015
Học viên cao học

Bùi Văn Đặng

2


MỤC LỤC

MỤC LỤC..................................................................................................................................3
BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT..............................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...............................................................................................5
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................5
PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ..................................................................................................9
CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ .................................17
CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,125 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH 17
KẾT LUẬN CHUNG...............................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................54

BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
AES
HHG
LSCW
LSDW
LIP
LIBS

Diễn giải
Atomic Emission Spectrocopy
(Phương pháp đo phổ phát xạ nguyên tử)
High-order Harmonic Generation
(Sự phát các sóng hài bậc cao)
Laser-supported combustion wave
(Laser hỗ trợ sóng đốt)
Laser-supported detonation wave
(Laser hỗ trợ sóng nổ)
Pulsed laser-induced plasmas
(Plasma tạo bởi laser)
Laser-induced breakdown spectroscopy
(Kỹ thuật quang phổ kích thích bằng laser)

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Sơ đồ bố trí thiết bị của một quá trình phân tích bằng LIBS [10].............................14
Hình 2-2. Giản đồ mức năng lượng của hệ vi mô.....................................................................18
Hình 2-3. Sơ đồ tạo thành các vạch phổ 396,152 nm và 394,400 nm của Al............................26

Hình 2-4. Sơ đồ cấu trúc tinh tế các mức năng lượng của Al...................................................26
Hình 2-5. Các cơ chế ion hóa...................................................................................................30
Hình 2-6. Các quá trình lý hóa xảy ra khi chùm laser tương tác với vật liệu............................33
Hình 2-7. Động học plasma khi chùm laser tương tác với vật mẫu..........................................35
Hình 2-8. Vết lõm do nhiệt độ và sự nóng chảy của màng mỏng SiO2 phủ lên linh kiện do
chiếu xạ chùm laser Nd: YAG [7]............................................................................................36
Hình 2-9. Các tác động của laser lên lớp màng mỏng SiO2 phủ trên tinh thể LiNbO3............36
Hình 2-10. Plasma được hình thành sau sự nóng chảy, bay hơi ...............................................38
Hình 2-11. Sơ đồ mô tả sự tạo thành các thể lỏng, hơi do sự tác động của chùm tia laser lên bề
mặt một mẫu vật rắn.................................................................................................................39
Hình 2-12. Ảnh chụp vùng plasma tạo bởi laser Nd: YAG cỡ nano giây. ...............................40
Hình 2-13. Sơ đồ mô tả sự mở rộng của một vùng plasma bán cầu..........................................41
Hình 2-14. Biểu đồ của sự ion hóa đa photon cho các thông số Keldysh khác nhau...........43
Hình 2-15. Biểu đồ hình thành thác ion hóa ............................................................................44
Hình 2-16. Hình ảnh minh họa sự tự chụm tia..........................................................................45
Hình 2-17. Ví dụ sự tự chụm tia trong tinh thể (a) và trong nước (b).......................................45
Hình 2-18. Hệ thống máy quang phổ phát xạ LSS-1................................................................46
Hình 2-19. Sự phụ thuộc của cường độ phát xạ vạch phổ Al l (396,152 nm) vào năng lượng
chùm laser kích thích................................................................................................................48

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Phương pháp đo phổ phát xạ nguyên tử (AES - Atomic Emission Spectrocopy)
là một phương pháp phổ dựa trên việc đo bước sóng, cường độ và các đặc trưng khác
của bức xạ điện từ do các nguyên tử hay các ion ở trạng thái hơi phát ra khi chúng
chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản được Bunsen và Kirchoff phát
minh vào giữa thế kỷ 19 [1],[2]. Từ khi được phát minh, phương pháp AES đã đóng

5


góp quan trọng vào việc phát hiện các nguyên tố hóa học mới vào cuối thế kỷ 19, đầu
thế kỷ 20. Phương pháp này được ứng dụng vào các mục đích phân tích định tính, bán
định lượng và định lượng hầu hết các kim loại và nhiều nguyên tố phi kim loại với độ
nhạy thường tới cấp hàm lượng 0,001% hoặc hàm lượng thấp hơn [1]. Một nét hết sức
đặc thù của phương pháp AES là có thể phân tích được nhiều nguyên tố trong một lần
phân tích và có thể phân tích các nguyên tố trong các đối tượng ở rất xa dựa vào ánh
sáng phát xạ từ đối tượng đó.
Như chúng ta đã biết kim loại nhôm được sử dụng rất nhiều tính theo cả số
lượng lẫn giá trị (vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt). Nhôm đóng vai trò quan trọng
trong nền kinh tế thế giới, các hợp kim của nhôm nhẹ và bền được dùng để chế tạo các
chi tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, tàu biển..). Nhôm siêu tinh khiết được
sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD. Phản ứng nhiệt nhôm dùng để
điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm, Vonfram...). Có thể nói
rằng kim loại nhôm có mặt hầu hết trong các ngành nghề, lĩnh vực khác nhau kể cả
trong cơ thể sống của con người [1].
Do đó việc khảo sát sự có mặt và hàm lượng của kim loại nhôm trong vật liệu
nói riêng và trong mẫu vật nói chung là quan trọng. Ta đã biết, phổ phát xạ của
kim loại nhôm nói riêng và của các nguyên tố nói chung phụ thuộc rất nhiều vào các
yếu tố như nồng độ nguyên tố trong mẫu, điều kiện khảo sát của môi trường (nhiệt độ,
áp suất,..), các đặc trưng của chùm laser kích thích (độ dài xung, năng lượng kích
thích, thời gian trễ,…) [2]. Chính vì vậy mà việc khảo sát phổ phát xạ của các kim loại
nói chung và nhôm nói riêng là một trong những vấn đề được mọi người quan tâm.
Với mục đích đó tôi chọn đề tài "Khảo sát sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch
phổ Al I (396,152nm) vào năng lượng chùm laser kích thích" để làm đề tài luận văn tốt
nghiệp của mình.
2. Mục tiêu, mục đích nghiên cứu
Khảo sát sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152nm) vào năng

lượng chùm laser kích thích.
Nghiên cứu này nhằm mục đích rút ra những luận điểm làm căn cứ cho những khảo
sát về phổ phát xạ nguyên tử của Al được kích thích bằng chùm laser xung.

6


3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế các mức năng lượng của nguyên tử Al I trên cơ sở
nghiên cứu các đặc trưng của tương tác [L, S];
Mô tả các quá trình vật lý xảy ra khi chùm laser tương tác với vật mẫu Nhôm, đây
là cơ sơ để giải thích cho kết quả thực nghiệm của tác giả;
Xử lý các số liệu thực nghiệm, từ đó dựng đồ thị thể hiện sự phụ thuộc cường độ
phát xạ vạch phổ Al (396,152 nm) vào năng lượng chùm laser kích thích.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nội dung chính của luận văn này giới hạn trong việc xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế
các mức năng lượng của nguyên tử Al I; Khảo sát sự tác động của năng lượng chùm
laser kích thích lên cường độ vạch phổ phát xạ Al I (396,152 nm) trong mẫu hợp kim
Nhôm D16 bằng việc sử dụng kỹ thuật LIBS trên máy quang phổ LSS – 1.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và phương
pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết được sử dụng kết hợp với các phương pháp
thu thập và xử lý thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu tin cậy để xây dựng sơ đồ cấu trúc
tinh tế các mức năng lượng của nguyên tử Al I. Phương pháp thực nghiệm được sử
dụng trên máy quang phổ LSS-1 áp dụng kỹ thuật LIBS để khảo sát và ghi số liệu
cường độ vạch phổ phát xạ dưới tác động của chùm laser với các giá trị năng lượng
kích thích khác nhau. Từ đó, chúng tôi xử lí số liệu và dựng đồ thị nhờ sự trợ giúp của
gói phần mềm microsoft office 2013.
6. Giả thuyết khoa học
Chúng tôi cho rằng cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào

năng lượng kích thích của chùm laser xung đôi. Căn cứ đặc điểm động học trong
tương tác của chùm laser với vật mẫu và các quá trình lý hóa xảy ra trong plasma,
chúng tôi cho rằng, khi năng lượng kích thích tăng dần, cường độ vạch phổ phát xạ sẽ
tăng và sau đó giảm dần.
7. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn này được trình bày theo 2
chương:

7


Chương 1: Phổ phát xạ nguyên tử.
Chương 2: khảo sát sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,125 nm)
vào năng lượng chùm laser kích thích.

8


PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ
1.1. Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ
Phổ phát xạ nguyên tử là sản phẩm sinh ra do sự tương tác giữa nguồn năng
lượng ngoài với vật chất, mà ở đây là các nguyên tử tự do ở trạng thái khí với
một nguồn năng lượng phù hợp. Nhưng k h i t ư ơ n g t á c b ở i nguồn sáng, không
phải chỉ có nguyên tử tự do bị kích thích, mà có cả ion, phân tử, nhóm phân tử. Các
phần tử này cũng bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó, tất nhiên là trong mức
độ khác nhau tùy thuộc vào khả năng kích thích của nguồn năng lượng. Vì vậy, phổ
phát xạ của vật mẫu luôn bao gồm ba thành phần đó là nhóm phổ vạch, nhóm phổ
đám và phổ nền liên tục. [1], [2].
Từ việc nghiên cứu nguyên nhân xuất hiện phổ phát xạ ở trên , chúng ta có thể
khái quát phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ phát xạ của nguyên tử phải

bao gồm các bước như sau:


Trước hết mẫu phân tích cần được chuyển thành hơi (khí) của nguyên tử hay
ion tự do trong môi trường kích thích. Đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử
hóa mẫu. Sau đó dùng nguồn năng lượng phù hợp để kích thích đám hơi đó
để chúng phát xạ. Đấy là quá trình kích thích phổ của mẫu.



Thu, phân 1i và ghi toàn bộ phổ phát xạ của vật mẫu nhờ máy quang phổ.
Trước đây, phổ được ghi lên kính ảnh hay phim ảnh. Chính máy quang phổ
sẽ làm nhiệm vụ này. Nhưng những trang bị hiện đại ngày nay có thể thu và
ghi trực tiếp các tín hiệu cường độ phát xạ của một vạch phổ dưới dạng các
lực trên băng giấy hay chỉ ra các sóng cường độ vạch phổ trên máy in, ghi lại
vào đĩa từ của máy tính.



Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đã đặt
ra. Đây là công việc cuối cùng của phép đo.
Chính vì vậy, ứng với các nhiệm vụ và nguyên tắc này, để thực hiện một

phép phân tích dựa theo phổ phát xạ của nguyên tử người ta phải cần một hệ thống
trang bị cũng gồm ba phần tương ứng như thế.


Phần 1: Nguồn năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu và kích thích
phổ của mẫu phân tích, để có phổ của nguyên tố phân tích.

9




Phần 2: Máy quang phổ để thu, phân li và ghi lại phổ phát xạ của mẫu phân
tích theo vùng phổ ta mong muốn.



Phần 3: Hệ thống trang bị để đánh giá định tính, định lượng và chỉ thị hay
biểu thị các kết quả.



Đối với trang bị hoàn chỉnh phải có thêm các bộ phận sau: Bộ tự động bơm, hệ
máy tính và phần mềm của nó.
1.2. Cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tử
Trong nguồn phát sáng hay trong plasma, nguyên tử (Ao) của một nguyên

tố được kích thích từ trạng thái năng lượng thấp E0 lên trạng thái năng lượng cao
Em được biểu diễn theo phương trình:
Ao + ∆E → A*

(a)

Với mẫu phân tích có nồng độ xác định của Ao thì quá trình này lúc đầu
tăng nhanh, sau đó chậm dần và tới một thời điểm nhất định thì không tăng nữa .
Nghĩa là số nguyên tử Ao bị kích thích là không đổi, ứng với một nhiệt độ xác
định của plasma [1], [2]. Đồng thời với quá trình trên là quá trình ngược lại, tức là

nguyên tử đã bị kích thích A* giải phóng năng lượng mà nó đã nhận được dưới dạng
các tia phát xạ để trở về trạng thái năng lượng thấp bền vững ban đầu. Chính quá
trình này là quá trình phát xạ của nguyên tử và sinh ra phổ phát xạ của nguyên
tử, có thể được biểu diễn theo phương trình:
A* → hv + Ao

(b)

Quá trình này lúc đầu chậm, sau đó tăng dần theo số nguyên tử A* đã bị
kích thích và đến một thời điểm nhất định thì cũng không tăng nữa ứng với một
nhiệt độ nhất định của plasma. Nghĩa là sau một thời gian nhất định của sự kích
thích phổ, thì hai quá trình trên (a) và (b) sẽ đạt đến trạng thái cân bằng. Đó là hai
t r ạ n g t h á i cân bằng động học thuận nghịch. Cân bằng này chỉ phụ thuộc chủ yếu
vào nhiệt độ của plasma, nghĩa là số nguyên tử A* bị kích thích và phát xạ là không
đổi, ứng với một nhiệt độ xác định của plasma.

10


Nếu gọi Nm là số nguyên tử của nguyên tố Ao đã bị kích thích đến trạng thái
năng lượng cao Em, thì theo quy luật Bolzmans ta có:
Nm = Na

gm
 E 
exp − m 
g0
 kT 

(1.1)

Trong đó:
g0 và gm là trọng lượng thống kê của nguyên tử Ao ở trạng thái ban đầu có năng
lượng E0 và trạng thái kích thích có năng lượng Em; Na là số nguyên tử của nguyên
tố Ao có trong plasma (trạng thái hơi); Em là năng lượng kích thích nguyên tố
chuyển từ trạng thái E0 lên trạng thái Em; T là nhiệt độ của plasma (K) ; k là hằng số
Bolzmans.
Nếu gọi Ia là cường độ của vạch phổ do quá trình kích thích phổ đã nói ở
trên sinh ra, thì trong một giới hạn nhất định của nhiệt độ plasma và nồng độ của
nguyên tố Ao trong plasma, người ta thấy Ia phụ thuộc vào các thông số sau:
Nm: Số nguyên tử AO đã bị kích thích lên trạng thái A*.
tm: Thời gian tồn tại của nguyên tử A* ở trạng thái kích thích.
Em: Năng lượng kích thích nguyên tử AO từ trạng thái cơ bản đến trạng thái kích thích.
Amo: Xác suất chuyển mức của nguyên tử AO từ trạng thái kích thích năng lượng E m về
trạng thái ban đầu năng lượng E0.
Do đó mối quan hệ này được biểu diễn theo công thức sau [1]:
E
−
1
 gm 
kT
I a = f .  ÷. Amo . Aa . 
÷.hν .e
 tm 
 g0 

(1.2)

trong đó f là hệ số phụ thuộc vào thực nghiệm.
Nhưng đối với một loại nguyên tử và trong một điều kiện thí nghiệm nhất

định của plasma (chủ yếu nhiệt độ plasma) thì các đại lượng Amo, g0, gm, Em, hν là
những hằng số. Cho nên cường độ vạch phổ Ia chỉ còn phụ thuộc vào số nguyên
tử bị kích thích Na mà thôi. Như vậy ta có:
I a = k1 N a

11

(1.3)


E
−
1
 gm 
kT
Với k1 = f .  ÷. Amo .Aa .  ÷.hν .e
 tm 
 g0 

Đó là cường độ vạch phổ của nguyên tử.
Song công thức (1.3) mới chỉ cho ta biết mối quan hệ giữa cường độ vạch
phổ Ia và nồng độ của nguyên tử ở trạng thái hơi trong plasma, mà chưa chỉ cho ta
được mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ của nguyên tố trong mẫu phân
tích. Muốn thế ta phải xét mối quan hệ giữa nồng độ C trong mẫu và số nguyên
tử Na trong plasma. Nói chung, mối quan hệ này là phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều
yếu tố, như: Khả năng hóa hơi, bản chất của chất mẫu, thành phần của chất phụ gia
thêm vào, trạng thái liên kết, tồn tại của chất mẫu, các điều kiện hóa hơi, nguyên tử
hóa mẫu, kích thích phổ và môi trường kích thích phổ, v.v...
Tuy nhiên từ thực nghiệm người ta thấy trong một phạm vi nhất định của
nồng độ C thì ta luôn luôn có:

Na = k2.Cb

(1.4)

Như vậy, cường độ vạch phổ sẽ là:
Ia = a.Cb

(1.5)

Trong đó:
a = k1.k2 và a là hằng số của điều kiện thực nghiệm; b là hằng số bản chất vật mẫu
phụ thuộc vào từng quá trình phân tích cụ thể, b chỉ nhận giá trị bằng 1 và nhỏ hơn 1
nhưng phải lớn hơn 0. Giá trị của b nhỏ hơn 1 khi nồng độ C lớn, lúc này đã xảy quá
ra quá trình tự hấp trong khối plasma, còn khi nồng độ nhỏ thì b luôn bằng 1. [1], [2],
[11].
Trên đây đã đề cập đến cường độ của vạch phổ nguyên tử trung hòa nhưng trong
plasma còn có cả các Ion. Chúng cũng bị kích thích và sinh ra phổ phát xạ. Quá
trình kích thích và phát xạ cũng giống như ở các nguyên tử và cũng tính toán
hoàn toàn tương tự nên chúng ta có cường độ vạch phổ Ion là:
Ii = ai.Cb

(1.6)

Do đó, một cách tổng quát, ta có thể viết cường độ vạch phổ phát xạ:
I = a.C b

12

(1.7)

Công thức (1.7) là phương trình cơ bản của phương pháp phân tích định lượng
theo phổ phát xạ nguyên tử, còn được gọi là phương trình Lomakin - Scheibe [1],[2],
[11].
Khi nguyên tử hoàn toàn bị phân ly thì cường độ của những vạch không tự hấp
thụ do những nguyên tử trung hòa bức xạ được xác định bằng công thức:
I = Pnτ ( 1 − x ) e

 E 
− ÷
 kT 

(1.8)

Trong đó: Pn là lượng nguyên tử đi vào trong một đơn vị thời gian trong một đơn vị
thể tích; x là độ ion hóa của nguyên tử; E là năng lượng kích thích vạch; T là nhiệt độ
plasma; τ là thời gian có mặt của nguyên tử trong plasma.
1.3. Kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử - LIBS
Plasma tạo bởi laser xung (Pulsed laser-induced plasmas - LIP) của các kim loại
và hợp kim được quan tâm kể từ khi chúng có nhiều ứng dụng quan trọng, ví dụ như
chế biến nguyên liệu, phân tích kim loại trong mẫu rắn [7], [8]. Quang phổ phát xạ của
một LIP bao gồm các dòng nguyên tử và ion bức xạ một cách liên tục. Việc phân tích
nguyên tố của các mẫu dựa trên quang phổ phát xạ từ một LIP được gọi là kỹ thuật
phổ laser phát xạ nguyên tử (Laser-induced breakdown spectroscopy - LIBS), là một
kỹ thuật phân tích quang phổ sử dụng nguồn kích thích là chùm tia laser xung để bắn
phá vật mẫu. Dưới tác dụng của các xung laser, vật chất trên mẫu sẽ chuyển thành thể
plasma, các nguyên tử, ion chuyển lên trạng thái kích thích và hình thành phổ phát xạ
có chứa thông tin của vật mẫu. Trên thực tế LIBS có rất nhiều ứng dụng và có thể thực
hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau. Một số ứng dụng quan trọng của LIBS như
phân tích sự phân bố theo lớp của các nguyên tố bên trong một mẫu vật, nghiên cứu sự

hình thành các vi hạt có kích thước nanômét, phân tích thành phần cấu trúc của mẫu
vật, xác định các kim loại nặng độc hại trong môi trường, phân tích các nguyên tố vi
lượng trong cơ thể,.... Trong tất cả các ứng dụng của LIBS, nếu ta sử dụng tác nhân
kích thích là laser xung đôi thì cường độ của vạch phổ phát xạ phụ thuộc vào rất nhiều
các yếu tố như nồng độ nguyên tử có trong mẫu, điều kiện khảo sát của môi trường
(nhiệt độ, áp suất,…), các đặc trưng của chùm laser kích thích (độ dài xung, năng
lượng kích thích, thời gian trễ ) [9]. LIBS cung cấp phép đo trực tuyến trong các ngành

13


công nghiệp với các công nghệ nhỏ gọn mới của quang phổ kế với camera ICCD [10]
– hình 1.1

Hình 1-1. Sơ đồ bố trí thiết bị của một quá trình phân tích bằng LIBS [10]
Trong kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử yếu tố rất quan trọng là độ chính
xác và độ nhạy của quang phổ thu được. Do đó người ta dùng kỹ thuật kích thích bằng
xung kép có thể tăng cường đáng kể cho sự phát xạ plasma. Ý tưởng chính của phương
pháp xung kép dựa trên sự hình thành plasma trên bề mặt của vật liệu nghiên cứu dưới
sự tác động của xung thứ nhất, khi đó người ta chiếu xung thứ hai cỡ nano giây hoặc
micro giây sau xung laser đầu tiên để tăng cường hơn nữa sự phát xạ plasma.
1.4. Phân tích định tính và định lượng bằng phương pháp đo phổ phát xạ nguyên
tử (AES)
Khi cung cấp năng lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu phân tích và kích
thích đám hơi nguyên tử đó phát xạ thì chúng ta sẽ thu được phổ phát xạ của mẫu phân
tích. Phổ đó gồm ba thành phần: Phổ vạch của nguyên tử và Ion; Phổ đám của phân tử
và nhóm phân tử; Phổ nền liên tục.
Trong ba thành phần đó, thì phổ vạch là thành phần chính đặc trưng cho nguyên
tử và Ion ở trạng thái hơi tự do khi chúng bị kích thích, nghĩa là ở trạng thái hơi. Khi

14


bị kích thích, các nguyên tử và Ion sẽ phát ra một chùm bức xạ quang học gồm nhiều
tia có bước sóng khác nhau nằm trong dải phổ quang học (190-1100nm). Nếu thu,
phân li và ghi chùm sáng đó lại ta sẽ được một dải phổ gồm các vạch phát xạ của
nguyên tử và Ion của các nguyên tố có trong mẫu. Trong tập hợp các vạch phổ đó, thì
mỗi loại nguyên tử hay Ion lại có một số vạch đặc trưng riêng cho nó. Các vạch phổ đó
được gọi là các vạch phổ phát xạ đặc trưng của loại nguyên tố ấy.
Chính nhờ các vạch phổ đặc trưng này người ta có thể nhận biết được sự có
mặt hay vắng mặt của một nguyên tố nào đó trong mẫu phân tích qua việc quan sát
phổ phát xạ của mẫu phân tích, và tìm xem có các vạch phổ đặc trưng của nó hay
không, nghĩa là dựa vào các vạch phổ phát xạ đặc trưng của từng nguyên tố để nhận
biết chúng. Đó là nguyên tắc của phương pháp phân tích quang phổ phát xạ đinh tính.
[1]
Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng dựa trên cơ sở
giữa nồng độ của nguyên tố cần phải xác định và cường độ của vạch phổ phát xạ do nó
phát ra, khi bị kích thích trong những điều kiện thích hợp, có mối liên hệ tuyến tính và
đơn trị theo phương trình Lomakin – Scheibe (1.7):
I = aC b = f (C )

Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C của nguyên tố phân tích, trong đó
I là cường độ của vạch phổ phát xạ của nguyên tố đó, còn C là nồng độ của nguyên tố
đó trong mẫu phân tích.
Từ phương trình Lomakin – Scheibe, nếu có một số mẫu chuẩn ban đầu có
nồng độ C đã biết chính xác, ví dụ C 1, C2, … Cn và xác định được cường độ vạch phổ
phát xạ I λ tương ứng, chúng ta có thể dựng được dường chuẩn I – C, rồi từ đó có thể
dễ dàng tìm được nồng độ Cx chưa biết.
Nhưng trước năm 1965 do không xác định được trực tiếp cường độ phát xạ I λ
của một vạch phổ, mà người ta phải chiếu chùm sáng phát xạ cường độ I λ lên kính

ảnh. Sau đó xác định độ đen của kính ảnh tại vị trí mà chùm ánh sáng chiếu vào. Độ
đen Sλ được tính theo công thức:
Sλ = γ .log.I λ

15

(1.9)


trong đó γ là hệ số nhũ tương của kính ảnh. Thay phương trình Lomakin – Scheibe
vào phương trình (1.9) ta có phương trình hệ quả như sau:
S = γ .b.log.C + k
(1.10)
λ
với k = γ .log a , trong trường hợp thực nghiệm phương trình có dạng:

∆S = γ .b.log C + k0

(1.11)

Từ thực tế đó, hiện nay chúng ta có hai phương trình cơ bản của phép phân tích
định lượng theo phổ phát xạ của nguyên tử. Nếu các máy cho phép xác định trực tiếp
được giá trị cường độ I λ thì chúng ta tính toán theo phương trình (1.9). Nếu các máy
quang phổ phải xác định gián tiếp cường độ Iλ qua việc xác định độ đen S, thì phải tính
toán theo phương trình (1.10), nghĩa là phương trình thứ nhất có dạng y = ax, còn
phương trình thứ hai thì có dạng y = ax + b, song chúng đều là phương trình của một
đường thẳng. Nhưng nếu đo theo phương trình độ đen S, chúng ta phải loại độ đen của
phổ nền và cần áp dụng phương trình thực nghiệm (1.11).
Do đó, phương trình (1.9) và phương trình (1.10) được gọi là các phương trình
cơ bản của phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng. [1]

Kết luận chương 1
Ở chương 1 chúng tôi đã giới thiệu về nguyên tắc của phép đo phổ phát xạ
nguyên tử, từ đó giới thiệu sơ lược về kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử - LIBS. Là
một kỹ thuật phân tích quang phổ sử dụng nguồn kích thích là chùm tia laser xung để
bắn phá vật mẫu nên kỷ thuật LIBS ngày nay được sử dụng phổ biến vì có độ nhạy
cao, đáp ứng hầu hết các yêu cầu của việc phân tích phổ phát xạ, đặc biệt là đối với
các kim loại.
Từ mục tiêu nghiên cứu của luận văn, chúng tôi đã dẫn ra các phương trình xác
định cường độ phát xạ nguyên tử, cũng như cường độ vạch phổ phát xạ ion. Làm tiền
đề để cho việc khảo sát sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của Al I (396,152nm) vào
năng lượng chùm laser kích thích ở chương 2.

16


CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ
CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,125 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER
KÍCH THÍCH
2.1. Cấu trúc phổ năng lượng của nguyên tử.
Theo quan điểm lượng tử thì ánh sáng còn được gọi là các photon hay các
lượng tử ánh sáng. Năng lượng của mỗi photon tỉ lệ với tần số dao động của sóng điện
từ tương ứng và được xác định bằng công thức Planck:
E = hω

(2.1)

Trong đó: h là hằng số Planck rút gọn ; ω là tần số góc của dao động.
rr
r
− j ( ωt − k .r )

ψ
r,
t
=
A
.
e
Giả sử có sóng De Broglie dưới dạng điện từ phẳng như sau:

( )

Với k =

2π
là số sóng. Các đại lượng ω , k đặc trưng cho sóng được thay bằng các đại
λ

lượng E, P đặc trưng cho hạt, tức là:
ur r
i
r
− ( Et − P .r )
h
ψ r, t = A.e

( )

(2.2)

Vì hàm sóng (2.1) là nghiệm của phương trình

∆ψ + k 2ψ = 0

(2.3)

nên đối với hạt chuyển động tự do ta có thể viết được phương trình [3]:
∆ψ +

2m
Tψ = 0
h2

(2.4)

với T là động năng.
Nếu hạt chuyển động dưới tác dụng của ngoại lực thì T = E – U(r), thay giá trị
động năng vào phương trình (2.4) ta được [3], [6]:
∆ψ +

2m
( E −U ) ψ = 0
h2

(2.5)

Với giả thiết thế năng U(r) của hạt là một hàm chỉ phụ thuộc vào tọa độ và
không thay đổi theo thời gian, khi đó hàm sóng mô tả chuyển động của hạt có thể viết
dưới dạng:
r
r − j Et
ψ r, t = ψ r e h

( )

17

()

(2.6)


r

Với ψ ( r ) là hàm biên độ phức, là một hàm liên tục đơn trị và hữu hạn ở khắp
mọi nơi và bằng không tại vô cùng.
Kết quả phân tích phương trình Schrodinger (2.3) cho thấy rằng, thực tế không
r

tồn tại loại hàm số ψ ( r, t ) mà có thể thõa mãn các điều kiện vừa nêu ở trên với bất kỳ
giá trị nào của năng lượng E. Chỉ với một số nhất định các giá trị năng lượng E 1,
E2….En mới tồn tại các hàm sóng như vậy. Những giá trị bất liên tục này của năng
lượng được gọi là các giá trị riêng và các hàm sóng tương ứng được gọi là các hàm
riêng. Tập hợp tất cả các giá trị riêng tạo thành phổ các mức năng lượng có thể của
hạt. Thông thường người ta biểu diễn các mức năng lượng có thể của hạt bằng các
vạch ngang và gọi đó là giản đồ năng lượng (hình 2.1)
En
E3
E2

E1

Hình 2-2. Giản đồ mức năng lượng của hệ vi mô
Trên giản đồ này mỗi mức năng lượng E n có thể ứng với một hay nhiều hàm
riêng ψ n . Nếu một mức En ứng với các hàm sóng ψ 1n , ψ 2 n ,….ψ g n thì người ta nói
rằng mức năng lượng En suy biến và lúc đó bậc suy biến hay trọng lượng thống kê của
nó bằng g. [3], [9].
Các mức năng lượng của nguyên tử

Đối với trường hợp chỉ có một điện tử chuyển động trong trường Coulomb
của hạt nhân. Phương trình Schrodinger xác định trạng thái lượng tử của hệ
có dạng [3]:
∆ψ +

2m 
Ze2 
E
+

÷ψ = 0
h2 
r 

18

(2.7)


Trong đó: Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn, r là khoảng cách giữa
điện tử tới hạt nhân.
Việc khảo sát phương trình (2.7) cho thấy rằng ngoài sự phụ thuộc các tọa độ
ra, hàm sóng ψ còn phụ thuộc vào ba thông số n, l và m l với n là số lượng tử chính, l

là số lượng tử quỹ đạo, ml là số lượng tử từ.
Số lượng tử chính xác định các giá trị năng lượng có thể của điện tử trong nguyên
tử [3], [12]:
mZ 2 e 4 1
En =
.
(n = 1,2,3…)
2h2 n2

(2.8)

Trạng thái của nguyên tử ứng với giá trị năng lượng nhỏ nhất được gọi là trạng
thái cơ bản ứng với n =1. Các trạng thái ứng với các giá trị năng lượng lớn hơn (n =
2,3,4…) được gọi là các trạng thái kích thích.
Vì điện tử có khối lượng xác định và luôn luôn chuyển động xung quanh hạt
nhân do đó trạng thái chuyển động của nó phải được đặc trưng bằng mô men động
r

lượng được lượng tử hóa theo công thức l = h l ( l + 1) (l = 0,1,2,….n -1)
Ngoài chuyển động quỹ đạo đã được mô tả trong phương trình Schrodinger ở
trên, điện tử còn tham gia chuyển động riêng liên quan tới sự vận động nội tại. Do đó
để mô tả một cách đầy đủ trạng thái chuyển động của điện tử trong nguyên tử người ta
đưa ra số lượng tử Spin ms nó cũng bị lượng tử hóa theo quy luật:
ur
1

S = h S ( S + 1)  S = ÷
2

ur r ur

Lúc đó mô men toàn phần được xác định J = l + S [3], [6].

Nếu nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân và N điện tử thì phương trình
Schrodinger viết cho hệ này có dạng:
h2 N
∑ ∆iψ + ( E − U ) ψ = 0
2m i =1

(2.9)

Ở đây thế năng U bao gồm năng lượng tương tác giữa các điện tử với hạt nhân
và giữa các điện tử với nhau, được biểu thị bằng phương trình:
N

U = −∑
i =1

Ze 2 N N e2
+ ∑∑
ri
i =1 j =1 ri , j

19

(2.10)


Trong đó: ri là khoảng cách từ điện tử i tới hạt nhân; ri,j là khoảng cách giữa các điện
tử i,j.
Kết quả phân tích phương trình (2.9) cho thấy trong trường hợp phức tạp, trạng

thái của mỗi điện tử đều có thể mô tả bằng tập hợp các số lượng tử n, l, m l, ms giống
như trong trường hợp nguyên tử một điện tử. Tuy nhiên ở đây năng lượng của điện tử
không chỉ phụ thuộc vào số lượng tử chính nữa mà còn phụ thuộc vào số lượng tử quỹ
đạo:
En ,l

trong đó α =




2 2

mZ 2 e 4 
3 ÷
 α Z  1
= − 2 2 1 +
− ÷

2h n 
n  J + 1 4n ÷


2




(2.11)

e2
là hằng số cấu trúc tinh tế. [3], [8].
hc
ur

Trong trường hợp này véc tơ mô men động lượng quỹ đạo L và véc tơ mô men
ur

động lượng Spin S của nguyên tử được xác định bằng tổng các véc tơ:
ur
r ur
uur
L = ∑ li ; S = ∑ Si
i

i

Dạng tương tác này được gọi là dạng liên kết (L,S). Trong đó độ lớn của các
véc tơ L, S, J được xác định thông qua các số lượng tử quỹ đạo L, số lượng tử Spin S
và số lượng tử toàn phần J của nguyên tử.
ur
ur
ur
L = h L ( L + 1) ; S = h S ( S + 1) ; J = h J ( J + 1)

(2.12)

Để mô tả mức năng lượng của nguyên tử tuân theo liên kết (L,S) người ta dùng
kí hiệu X L ( χ = 2S + 1 là độ bội trạng thái năng lượng). [3]
J

2.2. Cấu trúc các mức năng lượng Nhôm.
Theo cơ sở dữ liệu từ nguồn tra cứu vạch phổ [15] thì cấu hình của Al I là
1s22s22p63s23p1. Đây là nguyên tử có điện tử sắp xếp vào lớp p. Các số hạng sơ đồ lớp
ngoài cùng ở trạng thái cơ bản là 3s23p1.
Dựa vào các đặc trưng của liên kết (L,S) ta tìm phổ mức năng lượng của sơ đồ
điện tử lớp ngoài cùng này. Đây là trường hợp sơ đồ điện tử hỗn hợp chứa các điện tử
tương đương. Ta sẽ lấy sơ đồ điện tử tương đương 3s 2 là cơ sở rồi thêm vào một điện
tử lớp p.
20


Các số hạng của sơ đồ điện tử tương đương 3s2. Cả hai điện tử đều ở phân lớp s.
Đối với điện tử 1 có: n1 = 3, l1 = 0, s1 = ½.
Đối với điện tử 2 có: n2 = 3, l2 = 0, s1 = ½.
ur

r

r ur

ur

uur uur uur

ur
Số lượng tử L : L = ∑ li = l1 + l2 = 0 .
i
ur
ur

Số lượng tử S : S = ∑ Si = S1 + S 2 hay S có giá trị S = 0, 1.
i

 Trường hợp L = 0, S = 0.
Độ bội trạng thái năng lượng χ = 2S + 1 = 1
ur ur ur

ur

Mô men động lượng toàn phần J = L + S hay J có giá trị J = 0.
Vậy mức năng lượng tuân theo liên kết (L,S) của số hạng này được kí hiệu 1S0.
 Trường hợp L = 0, S = 1.
Độ bội trạng thái năng lượng χ = 2S + 1 = 3
ur ur ur

ur

Mô men động lượng toàn phần J = L + S hay J có giá trị J = 1,0
Vậy mức năng lượng tuân theo liên kết (L,S) của số hạng này được kí hiệu 1S0,1.
Theo nguyên lí loại trừ Pauli thì trường hợp S =1 hay cụ thể là ms =
1

1
1
và ms2 = bị
2
2

cấm. Do đó trạng thái của số hạng 1S0,1 bị cấm.
Vậy kí hiệu trạng thái của sơ đồ điện tử tương đương 3s2 là 1S0.

Tiếp theo, ta sẽ thêm vào một điện tử phân lớp p để tìm số hạng sơ đồ điện tử 3s 23p1.
Đối với một điện tử thêm ở phân lớp p có l = 1 và s = ½
ur
r r ur
ur
ur
Số lượng tử L : L = ∑ li = l1 + l2 do đó giá trị của L là L =1.
i
r
uur uur uur
ur u
S
=
∑ Si = S1 + S2 do đó giá trị của uSr là S = ½
Số lượng tử S :
i

Độ bội trạng thái năng lượng χ = 2 S + 1 = 2
ur ur ur

ur

1 3
2 2

Mô men động lượng tổng cộng J = L + S hay J có giá trị J = ,

Vậy mức năng lượng của sơ đồ điện tử Al ở trạng thái cơ bản có 2 mức. Kí hiệu
2
số hạng này là P

1

3
2, 2

.

21


2
Ta vẽ các vạch mức trạng thái P

1

3
2, 2

của sơ đồ điện tử lớp ngoài nguyên tử Al

đang ở trạng thái cơ bản theo quy tắc phân bố các số hạng và tỉ lệ khoảng cách giữa
các vạch mức
Trong tương tác (L,S) thì vạch mức năng lượng của sơ đồ điện tử 3s 23p1 bị tách
thành hai mức. Theo quy tắc phân bố các số hạng thì vạch mức trạng thái 2P1/2 phân bố
thấp hơn vạch mức trạng thái 2P3/2. Khoảng cách giữa hai vạch mức được xác định theo
công thức [2]:
ur ur 1
L.S =  J ( J + 1) − L ( L + 1) − S ( S + 1)  h2
2

Trạng thái
2

P

L

S

J

1

1
2

1 3
,
2 2

(2.13)
ur ur
L.S
1 2
−h2 , h
2

Hoặc khoảng cách giữa hai vạch mức liền kề nhau tính theo biểu thức
∆EJ , J +1 = ζ ( L, S ) ( J + 1)

3
2
ur ur
Biểu diễn sơ đồ trạng thái của số hạng 2P1/2,3/2 theo tỉ lệ của giá trị L.S .
2
Cụ thể cho hai vạch mức của trạng thái P

1

3
2, 2

là : ∆E

1

3
2, 2

= ζ ( L, S )

Các trạng thái kích thích của Nhôm
Khi nguyên tử Al bị kích thích bởi một tác nhân thỏa mãn điều kiện kích thích,
nguyên tử Al sẽ nhận năng lượng và chuyển lên trạng thái kích thích. Có nhiều trường
hợp các điện tử lớp ngoài cùng nhận năng lượng kích thích và chuyển lên trạng thái
kích thích. Một trong số các trường hợp đó là một điện tử của phân lớp 3p sẽ chuyển
lên mức kích thích cao hơn. Một trường hợp kích thích khác là một điện tử ở lớp lấp
đầy 3s2 sẽ được kích thích và chuyển lên mức trên, sơ đồ điện tử trường hợp kích thích
này có thể là ns2n’s, nsnpn’d (n’ > n).

22


Trong giới hạn luận văn này ta chỉ tìm sơ đồ trạng thái của cấu hình điện tử bị
kích thích, cụ thể là một điện tử phân lớp 3p ngoài cùng bị kích thích và chuyển lên
mức cao hơn.
 Sơ đồ điện tử kích thích 3s24s1.
Đây là trường hợp sơ đồ điện tử hỗn hợp chứa các điện tử tương đương. Ta sẽ
lấy sơ đồ điện tử tương đương 3s2 là cơ sở rồi thêm vào một điện tử phân lớp s.
Sơ đồ điện tử tương đương 3s2 có kí hiệu trạng thái 1S0
Tiếp theo ta thêm vào một điện tử phân lớp s để tìm số hạng sơ đồ điện tử
3s24s1. Đối với một điện tử thêm ở phân lớp s có l = 0 và s = ½
ur ur uur r

Số lượng tử L : L = L ' + l .
ur ur ur r

Số lượng tử S : S = S' + s
uur ur

Với L ' , S' là mô men quỹ đạo và mô men Spin toàn phần ở sơ đồ điện tử tương
đương 3s2.
ur

ur

Do đó giá trị của L là L = 0, giá trị của S là S = ½
Độ bội χ = 2 S + 1 = 2
ur ur ur

ur

Mô men động lượng tổng cộng J = L + S hay J có giá trị J =

1
2

2
Vậy kí hiệu trạng thái sơ đồ này là: S .
1

2

 Sơ đồ điện tử kích thích 3s2nd1
Đây là trường hợp sơ đồ điện tử hỗn hợp chứa các điện tử tương đương. Ta sẽ
lấy sơ đồ điện tử tương đương 3s2 là cơ sở rồi thêm vào một điện tử phân lớp d.
Sơ đồ điện tử tương đương 3s2 có kí hiệu trạng thái là thái 1S0
Tiếp theo ta sẽ thêm vào một điện tử phân lớp d để tìm số hạng sơ đồ điện tử
3s2nd1. Đối với một điện tử thêm ở phân lớp d có l = 2 và s = ½
ur ur uur r

ur ur ur r

Số lượng tử L : L = L ' + l ; Số lượng tử S : S = S' + s
uur ur

Với L ' , S' là mô men quỹ đạo và mô men Spin toàn phần ở sơ đồ điện tử tương
đương 3s2.
ur

ur

Do đó giá trị của L là L = 2, giá trị của S là S = ½
Độ bội χ = 2 S + 1 = 2

23


ur ur ur

ur

3 5
2 2

Mô men động lượng tổng cộng J = L + S hay J có giá trị J = ,
2
Vậy kí hiệu trạng thái sơ đồ này là: D

3

5
2, 2

.

Trong tương tác (L,S) thì vạch mức năng lượng của sơ đồ điện tử 3s 2nd1 bị tách
2
thành hai mức. Theo quy tắc phân bố các số hạng thì vạch mức trạng thái D được

3

2

2
phân bố thấp hơn vạch mức trạng thái D . Khoảng cách giữa hai vạch mức được tính
5

2

theo công thức (2.13). Cụ thể:
Trạng thái
2

D

L

S

J

ur ur
L.S

2

1
2

3 5
2, 2

3
− h2 , h2
2

2
Biểu diễn sơ đồ trạng thái của số hạng D

3

5
2, 2

ur ur

theo tỉ lệ của giá trị L.S :

 Sơ đồ điện tử kích thích 3s2np1.
Đây là trường hợp sơ đồ điện tử hỗn hợp chứa các điện tử tương đương. Ta sẽ
lấy sơ đồ điện tử tương đương 3s2 là cơ sở rồi thêm vào một điện tử phân lớp p.
Sơ đồ điện tử tương đương 3s2 có kí hiệu trạng thái là thái 1S0
Tiếp theo ta sẽ thêm vào một điện tử phân lớp p để tìm số hạng sơ đồ điện tử 3s 2np1.
Đối với một điện tử thêm ở phân lớp p có l = 1 và s = ½
ur ur uur r

ur ur ur r

Số lượng tử L : L = L ' + l ; Số lượng tử S : S = S' + s .

uur ur

Với L ' , S' là mô men quỹ đạo và mô men Spin toàn phần ở sơ đồ điện tử tương
đương 3s2.
ur

ur

Do đó giá trị của L là L = 1, giá trị của S là S = ½
Độ bội χ = 2 S + 1 = 2 .
ur ur ur

ur

1 3
2 2

Mô men động lượng tổng cộng J = L + S hay J có giá trị J = , .
2
Vậy kí hiệu trạng thái sơ đồ này là: P

1

3
2, 2

.

24

Trong tương tác (L,S) thì vạch mức năng lượng của sơ đồ điện tử 3s2np1 bị tách
2
thành hai mức. Theo quy tắc phân bố các số hạng thì vạch mức trạng thái P được
1

2

2
phân bố thấp hơn vạch mức trạng thái P . Khoảng cách giữa hai vạch mức được tính
3

ur ur

2

1
2

2
theo công thức (2.13) L.S =  J ( J + 1) − L ( L + 1) − S ( S + 1)  h

Trạng thái
2
P

L
1

2

Biểu diễn sơ đồ trạng thái của số hạng P

1

S

J

1
2

1 3
,
2 2

ur ur
L.S
1 2
−h2 , h
2

ur ur

theo tỉ lệ của giá trị L.S :

3
2, 2

Các trạng thái kích thích tồn tại một khoảng thời gian ngắn, khoảng 10 -8s rồi trở
về trạng thái cơ bản. Khi trở về trạng thái cơ bản nguyên tử sẽ phát ra các photon năng

lượng. Các photon năng lượng này thực chất được hình thành do sự dịch chuyển các
trạng thái từ các mức kích thích về các mức thấp hơn tuân theo quy tắc chọn lọc.
Dựa vào quy tắc chọn lọc ta có thể tìm được các bước dịch chuyển cụ thể như
hình 2-2. Trong hình này có hai bước chuyển vạch tương ứng với hai vạch phổ. Dựa
vào cơ sở dữ liệu từ Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Hoa Kỳ [15] ta tìm thấy
2
vạch chuyển từ số hạng S

1

2

2
về số hạng P sẽ phát ra vạch năng lượng có bước sóng
3

2

2
396,152nm. Vạch chuyển thứ hai là từ số hạng S

1

2

2
về số hạng P sẽ phát ra vạch
1

năng lượng có bước sóng 394,400nm.

2

3s24s1
396,152 nm
2

2

1

3s 3p

S1/2

2

P3/2

394,400 nm
2

P1/2

25