Spettroscopia di emissione atomica (AES)

luce - Foto di NarendraQuando l’energia viene somministrata alla materia, sotto forma di calore o elettricità, si verifica la conseguente emissione di radiazioni elettromagnetiche detta, per motivi storici, emissione. La spettroscopia di emissione comprende un insieme di tecniche strumentali che trovano larghissima applicazione nell’analisi qualitativa e quantitativa di molti elementi in matrici di ogni genere.

La spettroscopia di emissione si basa sul principio che ogni elemento ha elettroni distribuiti su ben precisi livelli energetici e quando gli atomi di un elemento vengono eccitati, possono passare da uno stato fondamentale a uno stato energetico maggiore. Dopo questo “salto”, quasi immediatamente, l’atomo tenderà a passare da un livello ad alta energia En ad un livello Em a energia inferiore per tornare nello stato di partenza emettendo radiazioni elettromagnetiche caratteristiche. In altri termini, gli elettroni dell’atomo, eccitati su livelli di maggiore energia, tornano al livello fondamentale sia in modo diretto sia passando attraverso livelli di energia intermedi per via non radiante e, in questo caso, nel processo di rilassamento si liberano fotoni di diversa energia.

Se la sorgente eccitante irradia molta energia, gli atomi si possono parzialmente ionizzare e gli ioni che si formano subiscono un processo di rilassamento simile a quello atomico.

L’emissione atomica consiste nell’emissione di onde elettromagnetiche da parte di atomi che siano stati eccitati mediante una sorgente di energia termica o elettrica.
La misura della lunghezza d’onda e della intensità delle radiazioni emesse, poiché specifiche dell’elemento che ha subito la transizione, consentono di individuare gli atomi che hanno generato tali radiazioni (analisi qualitativa) e la loro concentrazione nel campione (analisi quantitativa).

La relazione fra l’energia termica (ΔE) assorbita per passare allo stato eccitato e la lunghezza d’onda λ del fotone emesso in fase di rilassamento radiante è descritta dalla legge di Planck:
ΔE = hν = hc/λ
dove:
h = costante di Planck (6,6262 x 10-34 J·s)
ν = frequenza, cioè il numero di oscillazioni al secondo (c/λ)
c = velocità della luce nel vuoto (2,9979 x 108 m/s)
ΔE = energia termica assorbita nel passaggio allo stato eccitato
λ = lunghezza d’onda del fotone emesso in fase di rilassamento

Ogni elemento è caratterizzato da uno specifico sistema di elettroni, distribuiti in ben precisi livelli di energia perciò l’emissione conseguente a una eccitazione elettronica consiste in un sistema di radiazioni caratteristico per ciascun elemento.

Quando si raccolgono le radiazioni emesse su una pellicola fotografica grazie ad uno spettrografo, si ottiene uno spettrogramma cioè l’immagine dello spettro di righe caratteristico di ciascun elemento. Ogni riga dello spettro corrisponde a un salto elettronico perciò dalla lunghezza d’onda di tutte le righe di uno spettro si può risalire all’elemento che le ha emesse mediante il confronto con gli spettri degli elementi puri.

L’intensità delle righe spettrali dipende da diversi fattori: dalla probabilità della corrispondente transizione elettronica, dall’intensità della sorgente eccitante e, soprattutto, dalla concentrazione dell’elemento nel campione.

I sistemi di righe sono caratteristici di ogni elemento, ma dipendono anche dalla temperatura massima che la sorgente eccitante può raggiungere: se l’intensità della sorgente non è sufficientemente elevata, si possono vedere bene solo le righe di emissione più intense. Per questo motivo la temperatura è un parametro di fondamentale importanza in tutte le tecniche di emissione: le sorgenti devono essere molto “calde”, ma anche particolarmente stabili e riproducibili.

In base alla legge dello spostamento spettroscopico, le specie chimiche isoelettroniche cioè atomi o ioni che possiedono lo stesso numero di elettroni, danno spettri di emissione molto simili. Lo spettro di un elemento allo stato atomico è infatti simile allo spettro dello ione con singola carica positiva dell’elemento che lo segue nella tavola periodica e anche allo spettro dello ione con doppia carica dell’elemento che lo segue di due posti e così via. Ad esempio lo spettro di Na, lo spettro di Mg2+ e lo spettro di Al2+ sono molto simili tra loro perché si tratta di specie isoelettroniche.

Gli spettri di emissione di uno stesso elemento possono essere molto diversi fra loro o assomigliare molto a quelli di un altro elemento, ciò dipende dalle condizioni operative di analisi. Per questo motivo la ricerca si sta indirizzando verso la messa a punto di sistemi di eccitazione cioè delle sorgenti più adatte ai diversi tipi di analisi.

 

Si ringrazia la dott.ssa Elena Adami, Università degli Studi di Milano.