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Atomabsorptionsspektrometer - Aufbau und virtuelles Messgerät

Kontinuumstrahler

Eine Methode zur Untergrundkompensation in der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) besteht im Einsatz von Kontinuumstrahlern.

Die wichtigsten Lampen sind:

  • Deuteriumlampe: Einsatz im Wellenlängenbereich von 190 bis 330 nm,
  • Halogenglühlampe: Einsatz im Wellenlängenbereich oberhalb von 300 nm.

Beide Lampentypen ergänzen sich durch die komplementären Wellenlängenbereiche, daher sind AAS-Geräte mit beiden Sorten von Kontinuumstrahlern ausgestattet.

Deuteriumlampen enthalten Deuterium unter einem geringen Druck von ungefähr 10 mbar. Zwischen Anode und Kathode (beide üblicherweise aus Wolfram) wird eine Spannung angelegt, die zu einem Lichtbogen führt. Eine Deuteriumlampe emittiert ein kontinuierliches Spektrum im gesamten Bereich von 160 bis 400 nm, wobei für die AAS der Bereich ab 190 nm relevant ist. Deuteriumlampen haben eine sehr gute Strahlungsausbeute im UV bei gleichzeitig sehr geringer Emission im Sichtbaren und IR (UV-Spektroskopie, IR-Spektroskopie).

Oberhalb von circa 330 nm werden allerdings bevorzugt Halogenlampen eingesetzt, die den gesamten Bereich bis zu den langwelligsten Absorptionslinien der AAS abdecken. Halogenlampen zeichnen sich durch gute Stabilität aus, sie sind kostengünstig und unkompliziert im Betrieb; im Prinzip handelt es sich um Bauformen, die in ähnlicher Form auch im Haushalt oder in Autoscheinwerfern eingesetzt werden.

Zum Hintergrund: Kontinuierliche Spektren

Die diskreten Energieniveaus isolierter Atome führen dazu, dass elektromagnetische Strahlung in Form scharfer Linien absorbiert und emittiert wird; Atomspektren sind daher Linienspektren. Rücken jedoch die Atomkerne zusammen, wie bei einem Gas unter hohem Druck oder bei einem Festkörper, in dem sie in einem Kristallgitter angeordnet sind, so beobachtet man eine Aufspaltung der Energieniveaus in soviele Terme, wie Atome vorhanden sind. Die Aufspaltung fällt um so höher aus, je geringer der Abstand wird und je besser die Orbitale überlappen. Dies ist besonders bei den auf höheren Energieniveaus sitzenden äußeren Elektronen der Fall, den sogenannten Valenzelektronen, während die inneren, kernnahen Elektronen hiervon kaum beeinflusst werden und daher deren Niveaus kaum aufspalten. Sind nun sehr viele Atome daran beteiligt wie etwa im Kristallgitter eines Festkörpers, so liegen die resultierenden Energieniveaus so dicht beieinander, dass praktisch ein Kontinuum von möglichen Energiewerten entsteht. Man spricht dann von einem Energieband.

Abb.1
Aufspaltung der Energieniveaus von Atomen bei Annäherung der Kerne

A - einzelnes H-Atom, B - zwei H-Atome (H-Molekül bzw. Molekülion), C - eindimensionales Modell von H-Atomen. Die aufgespaltenen Energieniveaus liegen so dicht beieinander, dass man von Energiebändern spricht.

Da Atome stets mehr als ein Energieniveau haben, gibt es auch eine entsprechende Anzahl von Bändern. Sie können voll, leer oder teilweise besetzt sein und getrennt sein oder sich überlappen. Man spricht auch von der Bandstruktur des betreffenden Festkörpers. Nur teilweise besetzte Bänder können Elektrizität und Wärme gut leiten. Deshalb werden sie auch als Leitungsbänder bezeichnet.

Je nach Anzahl, Lage und Besetzung der Energiebänder eines Festkörpers hat man also Isolatoren, Halbleiter oder Leiter (Metalle) vor sich:

  • Bei Isolatoren sind die Bänder entweder voll besetzt oder leer, und der Abstand zwischen einem vollen und einem leeren Band ist so groß, dass ein Elektron ihn bei Zimmer- oder auch höherer Temperatur nicht überwinden kann.
  • Bei Halbleitern ist dieser Abstand zwischen einem vollen und einem leeren Band sehr viel kleiner. Die thermische Energie der Elektronen reicht teilweise schon aus, um sie ins höhere Band anzuheben. Je höher die Temperatur ist, um so höher ist die thermische Energie und um so mehr Elektronen schaffen den "Sprung": Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit zunehmender Temperatur.
  • Bei Metallen hingegen gibt es teilweise besetzte Bänder. Schon geringste Energien reichen aus, um die Elektronen in ein höheres Niveau zu heben. Sie sind daher gute Leiter von Elektrizität und Wärme.

Da unter den angegebenen Bedingungen für Elektronen ein Kontinuum von möglichen Energiewerten zur Verfügung steht und deswegen Übergänge mit beliebigen Energien möglich sind, entstehen hier kontinuierliche Spektren.

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