ここまでの紫外可視吸光度測定法と蛍光光度法では、分子の電子遷移を観察してきました。今回扱う原子スペクトル分析法は、見ている対象が原子に変わるだけで、考え方はこれまでとほぼ同じです。
新しい単元というより「同じ話の対象違い」として読めるので、ここは比較的あっさり通過できるところです。
この記事は、もともと解説授業の動画で話している内容を記事に起こしたものです。分光分析法の範囲はYouTubeで無料公開しているので、読むよりも動画で一気に見たい人はそちらもどうぞ。
Contents
全体像:吸収を見るか、発光を見るか
原子に光を当てると、光が吸収されて励起状態になり、そこから基底状態に戻るときに発光します。前回までと同じ図ですね。この流れのどこを見ているかで、2つの測定法に分かれます。
| 測定法 | 見ているところ | 対応する分子の測定法 |
|---|---|---|
| 原子吸光光度法 | 光の吸収 | 紫外可視吸光度測定法 |
| 発光分析法 | 基底状態に戻るときの発光 | 蛍光光度法 |
国試でメインになるのは原子吸光光度法のほうで、発光分析法は「こういうものもある」という程度で構いません。
観測する波長と対象
観測する波長は200〜800 nm、つまり紫外線〜可視光線の領域です。紫外可視吸光度測定法とまったく同じ範囲ですね。対象は主に金属元素の検出・定量で、たとえば試料に銅が入っているかどうかを確かめる、といった使い方をします。
原子吸光光度法の原理
基底状態の原子に光を照射したとき、その原子に特有の波長の光が吸収される——これを見るのが原子吸光光度法です。どの波長を吸収するかは元素ごとに決まっているので、そこから定性ができます。
装置:分光部の位置に注目
装置の構成は「光源部 → 試料原子化部 → 分光部 → 検出部・記録部」です。
光源部
中空陰極ランプと放電ランプを使います。この2つを押さえておきましょう。
試料原子化部
試料溶液をスプレー状にして、何らかの方法で原子化します。方法は3つです。
| 方式 | 補足 |
|---|---|
| フレーム方式 | 炎で原子化する |
| 電気加熱方式 | 電気的に加熱して原子化する |
| 冷蒸気方式 | 水銀に対して使う |
「冷蒸気方式は水銀」という対応は、そのまま出題ポイントになります。
分光部が試料の後ろにある理由
ここまでの測定法では、光源と試料の間にモノクロメーター(分光部)がありました。ところが原子吸光光度法では、分光部が試料原子化部の後ろにあります。
理由は光源にあります。たとえば銅を測りたいなら銅の中空陰極ランプを使うわけですが、中空陰極ランプはもともとその元素に特有の単一波長に近い光を出すので、当てる前に分光する必要がないのです。一方、フレーム方式などでは炎そのものからの光が混ざってしまうため、試料を通った後で分光してから検出する、という構成になっています。
「なぜここだけ配置が違うのか」を理由とセットで覚えておくと、図を見ただけで判断できるようになります。
スペクトルが線スペクトルになる理由
原子吸光光度法で得られるスペクトルは線スペクトルになります。分子のときのような幅の広い吸収帯ではなく、細い線になるわけですね。理由は2つです。
- 気体状態なので原子どうしの相互作用が少ない
- 分子のような振動・回転がない
分子だと振動や回転のエネルギー準位が重なってスペクトルの幅が広がりますが、原子にはそれがない、ということです。
定量もランベルト・ベールの法則
入ってきた光と出てきた光を比べているので、当然ここでも定量ができます。使うのはランベルト・ベールの法則です。基礎の回からずっと同じ法則に戻ってきているのが分かると思います。
発光分析法:名前と見ている場所だけ
励起状態の原子は不安定なので、すぐに基底状態に戻ります。このときエネルギー差に相当する波長の光を放出する——これを測るのが発光分析法です。
国試で知っておいてほしいのは誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP発光分光分析法)という名前と、プラズマで励起させてその発光を測っている、という点だけです。ここは深入りしなくて構いません。
まとめ
- 原子スペクトル分析法は、分子ではなく原子の電子遷移を観察する。考え方は紫外可視・蛍光とほぼ同じ
- 吸収を見るのが原子吸光光度法、発光を見るのが発光分析法。メインは前者
- 観測波長は200〜800 nm、対象は主に金属元素
- 光源部は中空陰極ランプ・放電ランプ、原子化はフレーム/電気加熱/冷蒸気(水銀)の3方式
- 分光部が試料の後ろにあるのは、中空陰極ランプが特有の波長の光を出すため
- 気体状態で相互作用が少なく、振動・回転もないため線スペクトルになる
- 定量はランベルト・ベールの法則。発光分析法はICP発光分光分析法の名前を押さえる
次は赤外吸収スペクトル測定法(IR)とラマンスペクトルを読んでみてください。
物理を、1枚の地図として頭に入れませんか
この記事の冒頭に載せたマインドマップは、物理という科目のほんの一区画です。実際には、物質の物理的性質から化学物質の分析、放射化学までが、1枚の地図としてひと続きにつながっています。
公式をバラバラに覚えようとすると物理は苦しくなりますが、「この式がどこから来て、どこにつながるのか」が地図として見えていると、覚える量そのものが減ります。細切れに暗記してきたものが、1本の線になる感覚です。
物理のマインドマップ(¥3,500)は、その全体像を1冊にまとめたPDFです。無料サンプル(分光分析法の範囲)と、地図をたどりながら話すYouTubeの講義動画があるので、この進め方が自分に合うかどうかは先に確かめられます。