TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHỔ LASER PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ
Cơ chế hình thành vạch phổ trong kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 1
1.3 Kỹ thuật tạo mẫu khảo sát
Chương 2 Khảo sát hàm lượng Mg trong dung dịch MgCl2 dựa trên số liệu phổ laser phát xạ nguyên tử
2.1 Phân tích định lượng và xây dựng đường chuẩn
2.2 Khảo sát hàm lượng Mg trong dung dịch MgCl 2
Máy quang phổ laser LSS-1
1.3 Kỹ thuật tạo mẫu khảo sát
Chương 2 Khảo sát hàm lượng Mg trong dung dịch MgCl2 dựa trên số liệu phổ laser phát xạ nguyên tử
2.1 Phân tích định lượng và xây dựng đường chuẩn
2.2 Khảo sát hàm lượng Mg trong dung dịch MgCl 2
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHỔ LASER PHÁT XẠ NGUYÊN
TỬ 1.1 Cơ chế hình thành vạch phổ trong kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 1.1.1 Đại cương về nguyên tố Mg
Magiê (Mg) là nguyên tố hóa học được phát hiện vào năm 1755 bởi Joseph Black, một nhà vật lý và hóa học người Scotland Là nguyên tố kim loại kiềm và phổ biến thứ 8 trong lớp vỏ Trái Đất, Magiê đóng vai trò quan trọng trong hàng trăm phản ứng sinh hóa trong cơ thể Thiếu hụt Magiê có thể dẫn đến nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như bệnh tim mạch, tiểu đường, đột quỵ, ung thư và thậm chí tử vong Ngay cả sự thiếu hụt nhỏ cũng có thể gây ra căng thẳng, trầm cảm, yếu thần kinh, co giật, lo âu và mất ngủ.
Magiê có nguyên tử số 12 trong bảng tuần hoàn, với cấu hình electron là [Ne] 3s², tương đương với 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Nguyên tử Magiê trung hòa có 12 electron phân bố trên 3 lớp quanh hạt nhân Kim loại Magiê (Mg) có cấu trúc tinh thể đặc trưng.
Hình 1.2-Quang phổ vạch của Mg
Bảng 1.1- Một số tính ch t Vật lý của Magie [4] ,[5]
Nhiệt lượng nóng chảy 8,48kJ.mol -1
Nhiệt lượng bay hơi 128kJ.mol -1
Thứ nhất: 737,7kJ.mol -1 Thứ hai: 1450,7kJ.mol -1 Thứ ba: 7732,7kJ.mol -1
Trong nguyên tử có nhiều điện tử, mỗi điện tử được bao quanh bởi nhiều đám mây điện tử riêng biệt, khiến việc xác định trạng thái của từng điện tử trở nên phức tạp Do đó, việc giải phương trình Schrodinger chỉ mang tính chất gần đúng Hàm sóng của hệ nhiều điện tử có thể được xem như tổng hợp các hàm sóng của từng điện tử riêng lẻ Sơ đồ cấu tạo nguyên tử cho một nguyên tử cụ thể có thể được mô tả như sau: [1]
(1.1) trong đó n là số lượng tử chính l là số lượng tử quỹ đạo
Các điện tử có cùng số lượng tử chính và số lượng tử quỹ đạo được gọi là điện tử tương đương, trong khi đó, những điện tử không có các số lượng tử này thì không được coi là tương đương.
Các điện tử lớp bên trong(lớp lấp đầy)
Các điện tử ở lớp ngoài cùng chưa lấp đầy được gọi là điện tử không tương đương, thường xuất hiện trong sơ đồ điện tử kích thích Ngược lại, điện tử tương đương thường có trong các sơ đồ nguyên tử ở trạng thái thường hoặc trạng thái cơ bản Đặc biệt, mômen động lượng tổng cộng của các điện tử trong lớp lấp đầy bằng không Để xác định đặc trưng của các mức năng lượng, cần tìm các giá trị có thể có của mômen động lượng tổng cộng J thông qua cách cộng mômen.
Mỗi trạng thái của nguyên tử được xác định bằng cách xác định các số lượng tử L, S và J, tương ứng với mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng, mômen spin tổng cộng và mômen động lượng tổng cộng của nguyên tử.
Ta có mômen spin tổng cộng:
S s (1.3) và mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng:
Giá trị của L đối với trạng thái nguyên tử cho trước được biểu diễn:
Theo thuyết Dalton, nguyên tố hóa học bao gồm các nguyên tử cùng loại, với nguyên tử là phần tử nhỏ nhất giữ tính chất hóa học của nguyên tố Cấu trúc khác nhau của nguyên tử quyết định tính chất vật lý và hóa học của chúng, đặc biệt là cấu tạo của lớp vỏ điện tử và các điện tử hóa trị Trong khi các điện tử chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo, quan điểm hiện đại cho rằng chúng tạo thành các đám mây điện tử Khi nguyên tử hoặc ion có nhiều điện tử ở quỹ đạo lớp ngoài, cần xem xét cả sự tương tác giữa các điện tử với nhau, không chỉ giữa điện tử và hạt nhân Sự tương tác này dẫn đến một phổ mức năng lượng phức tạp hơn, với số lượng quang phổ tăng lên khi số điện tử lớp ngoài nhiều hơn.
Khảo sát toán học các trạng thái nguyên tử nhiều điện tử rất phức tạp do sự tương tác Coulomb giữa các điện tử và hạt nhân, cũng như giữa các điện tử với nhau Ngoài ra, còn có tương tác giữa mômen động lượng quỹ đạo với spin và giữa các spin của điện tử Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu cấu tạo điện tử của nguyên tử, người ta thường áp dụng hai dạng liên kết chính.
+ Dạng thứ nhất gọi là mẫu liên kết [L, S] do Russel và Saunders đề xuất năm
Năm 1925, liên kết này thường xảy ra ở các nguyên tử của nguyên tố nh (Z 75, cấu tạo điện tử trong nguyên tử trở nên phức tạp hơn với số lượng tử chính lớn, dẫn đến quỹ đạo điện tử nằm xa nhân Tương tác giữa các điện tử chủ yếu là tương tác từ, trong đó mômen spin và mômen quỹ đạo của từng điện tử đóng vai trò quan trọng Mômen động lượng tổng cộng của từng điện tử được xác định trong bối cảnh này.
J i l i s i (1.6) và mômen động lượng tổng cộng:
Trong khảo sát hệ điện tử, hai dạng liên kết chính là yếu tố quan trọng, trong khi các dạng khác không có vai trò lớn Bài viết này tập trung vào nguyên tử Magie với 12 điện tử ở trạng thái trung hòa, trong đó tương tác chính giữa các điện tử là tương tác tĩnh điện, cụ thể là liên kết [L, S] Liên kết Russell – Saunder hay liên kết [L, S] có những đặc trưng như số hạng trong sơ đồ cấu tạo điện tử, sự phân bố các mức trong số hạng, và độ bội của số hạng.
Trong liên kết [L, S], số hạng của sơ đồ điện tử được ký hiệu là:
L: là mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng χ: là độ bội
J: là mômen động lượng tổng cộng
Xét trong trường hợp đơn giản nhất là nguyên tử có cấu tạo hai điện tử, ứng với sơ đồ điện tử n1 l1 n2 l2, theo liên kết thường:
+ Chúng ta sẽ xác định số lượng tử S, và độ bội:
Do s1 = s2 = ẵ và từ cụng thức S s 1 s 2 , ta cú:
Do đó độ bội χ=1 (với S = 0): số hạng đơn
=3 (với S =1): số hạng bội ba
+ Chúng ta sẽ tính giá trị số lượng tử L, xuất phát từ công thức (1.8) ta có:
L l l l l l l (1.13) Khi l 1 l 2 thì sẽ có 2 l 1 1 giá trị của L
Khi l 2 l 1 thì sẽ có 2 l 2 1 giá trị của L
Chúng ta sẽ xác định giá trị mômen động lượng tổng cộng J, từ đó có thể tìm ra số mức có thể có của một số hạng Dựa vào công thức (1.10), chúng ta sẽ tính toán giá trị của J.
Trong liên kết [L, S], sự phân bố các mức năng lượng tuân theo nguyên lý thực nghiệm của Hund Có bốn quy tắc chính để sắp xếp các mức năng lượng trong cấu trúc tinh tế của nguyên tử.
Trạng thái có xác suất tồn tại cao nhất thường là trạng thái có năng lượng thấp nhất Trong sơ đồ, thứ tự các số hạng được xác định dựa trên độ bội, với số hạng có độ bội lớn nhất được xếp ở mức năng lượng thấp nhất Nếu hai số hạng có cùng độ bội, số hạng nào có số lượng tử L lớn hơn sẽ có mức năng lượng thấp hơn.
Trong cùng một số hạng bội của nguyên tử, nếu số điện tử ở lớp ngoài chưa lấp đầy được phân nửa, thì số hạng có số lượng tử J bé nhất sẽ nằm ở mức năng lượng thấp nhất Ngược lại, nếu số điện tử ở lớp ngoài đã lấp đầy hơn phân nửa, số hạng có số lượng tử J lớn nhất sẽ có mức năng lượng thấp nhất.
KHẢO SÁT HÀM LƯỢNG Mg TRONG DUNG DỊCH MgCl 2 DỰA TRÊN SỐ LIỆU PHỔ LASER PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ
Khảo sát hàm lượng Mg trong dung dịch MgCl 2
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHỔ LASER PHÁT XẠ NGUYÊN
TỬ 1.1 Cơ chế hình thành vạch phổ trong kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 1.1.1 Đại cương về nguyên tố Mg
Magiê (Mg) là nguyên tố hóa học được phát hiện vào năm 1755 bởi nhà vật lý và hóa học Scotland, Joseph Black Đây là một kim loại kiềm và là nguyên tố phổ biến thứ 8 trong vỏ Trái Đất Magiê đóng vai trò quan trọng trong hàng trăm phản ứng sinh hóa trong cơ thể, do đó, nó cần thiết cho sức khỏe con người Thiếu hụt Magiê có thể dẫn đến các bệnh nghiêm trọng như bệnh tim mạch, tiểu đường, đột quỵ, ung thư, và thậm chí tử vong Ngay cả sự thiếu hụt nhỏ cũng có thể gây ra căng thẳng, trầm cảm, lo âu, và các vấn đề về giấc ngủ.
Magiê có nguyên tử số 12 trong bảng hệ thống tuần hoàn, với cấu hình electron là [Ne] 3s², tương đương với 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Nguyên tử Magiê trung hòa có 12 electron phân bố trên 3 lớp quanh hạt nhân Kim loại Magiê (Mg) có cấu trúc tinh thể đặc trưng.
Hình 1.2-Quang phổ vạch của Mg
Bảng 1.1- Một số tính ch t Vật lý của Magie [4] ,[5]
Nhiệt lượng nóng chảy 8,48kJ.mol -1
Nhiệt lượng bay hơi 128kJ.mol -1
Thứ nhất: 737,7kJ.mol -1 Thứ hai: 1450,7kJ.mol -1 Thứ ba: 7732,7kJ.mol -1
Trong nguyên tử chứa nhiều điện tử, mỗi điện tử lại bao gồm nhiều đám mây điện tử riêng biệt, khiến việc xác định trạng thái của từng điện tử trở nên phức tạp Do đó, việc giải phương trình Schrödinger chỉ mang tính chất gần đúng Hàm sóng của hệ nhiều điện tử có thể được xem như tổng hợp các hàm sóng của từng điện tử riêng lẻ Sơ đồ cấu tạo nguyên tử có thể được mô tả như sau: [1]
(1.1) trong đó n là số lượng tử chính l là số lượng tử quỹ đạo
Các điện tử có cùng số lượng tử chính và số lượng tử quỹ đạo được gọi là điện tử tương đương, trong khi đó, các điện tử không có các số lượng tử này được xem là không tương đương.
Các điện tử lớp bên trong(lớp lấp đầy)
Các điện tử ở lớp ngoài cùng, chưa lấp đầy, được gọi là điện tử không tương đương, thường gặp trong sơ đồ điện tử kích thích Ngược lại, điện tử tương đương xuất hiện trong các sơ đồ nguyên tử ở trạng thái thường hay trạng thái cơ bản Đặc biệt, mômen động lượng tổng cộng của các điện tử trong lớp lấp đầy bằng không Để xác định đặc trưng của các mức năng lượng, cần tính toán các giá trị có thể có của mômen động lượng tổng cộng J bằng cách cộng các mômen.
Mỗi trạng thái của nguyên tử được xác định bởi các số lượng tử L, S và J, tương ứng với mômen động lượng quỹ đạo, mômen spin và mômen động lượng tổng cộng của nguyên tử.
Ta có mômen spin tổng cộng:
S s (1.3) và mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng:
Giá trị của L đối với trạng thái nguyên tử cho trước được biểu diễn:
Nguyên tố hóa học được cấu thành từ các nguyên tử cùng loại, là phần tử nhỏ nhất vẫn giữ được tính chất hóa học của nguyên tố Mỗi nguyên tử có cấu tạo khác nhau, quyết định tính chất vật lý và hóa học của chúng, chủ yếu do cấu trúc lớp vỏ điện tử, đặc biệt là các điện tử hóa trị Theo cơ học lượng tử, điện tử chuyển động quanh hạt nhân tạo thành các đám mây điện tử Khi nguyên tử hoặc ion có nhiều điện tử ở lớp ngoài, cần xem xét không chỉ sự tương tác giữa điện tử với hạt nhân mà còn giữa các điện tử trong cùng một nguyên tử Nếu bỏ qua sự tương tác này, cấu trúc điện tử sẽ tương ứng với một phổ mức năng lượng đơn giản, nhưng khi có sự tương tác, phổ mức năng lượng trở nên phức tạp hơn, dẫn đến sự kích thích điện tử phức tạp và gia tăng số hạng quang phổ.
Khảo sát toán học các trạng thái nguyên tử nhiều điện tử rất phức tạp do có nhiều loại tương tác, bao gồm tương tác Coulomb giữa điện tử và hạt nhân, giữa các điện tử, cũng như tương tác giữa mômen động lượng quỹ đạo và spin của điện tử Để đơn giản hóa, nghiên cứu cấu tạo điện tử của nguyên tử thường áp dụng hai dạng liên kết chính.
+ Dạng thứ nhất gọi là mẫu liên kết [L, S] do Russel và Saunders đề xuất năm
Năm 1925, liên kết này thường xuất hiện ở các nguyên tử của nguyên tố nh (Z 75, cấu tạo điện tử trong nguyên tử trở nên phức tạp hơn với số lượng tử chính lớn, dẫn đến quỹ đạo điện tử nằm xa nhân Tương tác giữa các điện tử chủ yếu là tương tác từ, trong đó mômen spin và mômen quỹ đạo của từng điện tử đóng vai trò quan trọng Mômen động lượng tổng cộng của từng điện tử được xác định trong bối cảnh này.
J i l i s i (1.6) và mômen động lượng tổng cộng:
Trong khảo sát hệ điện tử, hai dạng liên kết chính là yếu tố quan trọng, trong khi các dạng khác ít ảnh hưởng Bài viết này tập trung vào nguyên tử Magie ở trạng thái trung hòa với 12 điện tử, nơi mà tương tác chủ yếu là tương tác tĩnh điện, cụ thể là liên kết [L, S] Liên kết Russell – Saunder hay [L, S] có những đặc trưng như số hạng trong sơ đồ cấu tạo điện tử, sự phân bố các mức trong số hạng, và độ bội của số hạng.
Trong liên kết [L, S], số hạng của sơ đồ điện tử được ký hiệu là:
L: là mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng χ: là độ bội
J: là mômen động lượng tổng cộng
Xét trong trường hợp đơn giản nhất là nguyên tử có cấu tạo hai điện tử, ứng với sơ đồ điện tử n1 l1 n2 l2, theo liên kết thường:
+ Chúng ta sẽ xác định số lượng tử S, và độ bội:
Do s1 = s2 = ẵ và từ cụng thức S s 1 s 2 , ta cú:
Do đó độ bội χ=1 (với S = 0): số hạng đơn
=3 (với S =1): số hạng bội ba
+ Chúng ta sẽ tính giá trị số lượng tử L, xuất phát từ công thức (1.8) ta có:
L l l l l l l (1.13) Khi l 1 l 2 thì sẽ có 2 l 1 1 giá trị của L
Khi l 2 l 1 thì sẽ có 2 l 2 1 giá trị của L
Chúng ta sẽ xác định giá trị mômen động lượng tổng cộng J, từ đó xác định số mức có thể có của một số hạng Dựa vào công thức (1.10), chúng ta có thể tính toán giá trị của J.
Trong liên kết [L, S], sự phân bố các mức năng lượng tuân theo nguyên lý thực nghiệm của Hund Có bốn quy tắc chính để sắp xếp các mức năng lượng trong cấu trúc tinh tế của nguyên tử.
Trạng thái có xác suất tồn tại cao nhất thường là trạng thái có năng lượng thấp nhất Trong sơ đồ, thứ tự các số hạng được xác định chủ yếu dựa trên độ bội; số hạng có độ bội lớn nhất sẽ có mức năng lượng xếp thấp nhất Nếu hai số hạng có cùng độ bội, thì số hạng nào có số lượng tử L lớn hơn sẽ được xếp ở mức năng lượng thấp hơn.
Trong cùng một số hạng bội của nguyên tử, nếu số điện tử lớp ngoài chưa lấp đầy được phân nửa, thì số hạng ứng với số lượng tử J bé nhất sẽ nằm ở mức năng lượng thấp nhất Ngược lại, nếu số điện tử lớp ngoài đã lấp đầy hơn phân nửa, số hạng với số lượng tử J lớn nhất sẽ nằm ở mức năng lượng thấp nhất.