金属材料基礎講座-186

プラズマ中の原子挙動

　ICPにおけるプラズマの温度は5000～8000℃程度ですが、これは電子のエネルギーであるeV(エレクトロンボルト)になおすと1eV近くになります。1eVは約11300℃です。1eVとは1個の電子が1Vの電位差で加速された時に得るエネルギーに等しく1.602×10-19Jです。プラズマ中ではこのような状況で原子、分子、イオン、電子などの粒子が衝突しています。イオンや電子など荷電粒子の衝突では運動エネルギー以外にも下記のような様々な反応が起こります。

1. 解離

2. 励起

3. 発光

4. 吸光

5. イオン化

6. 再結合

7. ペニングイオン化

1の解離とは例えば分子(例えば水素分子)がそれぞれの原子(水素原子)に分かれることです。

2の励起とは通常状態の原子に高エネルギー粒子が衝突し、原子の電子軌道が高いエネルギー準位に移動することです。

3の発光とは励起状態にある原子が元の基底状態に戻る時にエネルギー準位の差に相当する光を発光することです。この過程がICP-AESの定性分析、定量分析の基本になります。

4の吸光とは原子に励起エネルギーに相当する光を入射した時に、その光を吸収して励起状態になることです。これが原子吸光法です。原子吸光法では化学炎(アセチレンやプロパンなど)や電気的加熱黒鉛炉などが使用されます。その温度は3000℃程度です。

5のイオン化とは原子に高エネルギー粒子が衝突し、外側の価電子が飛ばされてイオン化することです。そして、イオン化した原子がさらに励起されたり、励起されたイオンが発光することもあります。この時の発光スペクトルはイオン線と呼びます。なお、通常の励起の発光スペクトルは中性原子線と呼びそれぞれ区別しています。

6の再結合とはイオン化した原子が電子と衝突して元の原子に戻ることです。この時の結合によって発光がおこりますが、元素固有ではないため、バックグラウンドとなります。

7のペニングイオン化とは、準安定準位AによってB元素がイオン化されることです。準安定準位とは励起状態の原子が発光できずに長時間とどまっている状態です。そしてA原子の準安定準位の励起エネルギーよりもB原子のイオン化エネルギーが低い時にB原子がイオン化されることです。

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