Spectrale analyse

Naar de sterren vliegen

Dat is aan anderen; ook al gebruiken we allemaal dezelfde techniek. Of het nu gaat om ruimteonderzoek – zoals in deze afbeelding van de ETH Zürich van het polaire ringstelsel NGC 4650A in het sterrenbeeld Centaurus – of om het smeltproces in de ijzergieterij Brechmann-Guss; we maken allemaal gebruik van een fundamentele ontdekking van de heren Kirchhoff, Foucault en Bunsen uit het midden van de 19e eeuw, toen het lukte om emissiespectra van natrium en andere elementen te identificeren en in verband te brengen met de Fraunhofer-lijnen van het zonnespectrum (atoomspectroscopie).

Emissiespectraalanalyse

Om het proces uit te leggen, gaan we uit van een eenvoudig atoommodel, waarin de elektronen in zeer specifieke banen (schillen) rond de atoomkern draaien, waarbij elke schil slechts een bepaald aantal elektronen kan bevatten. Het aantal elektronen per schil kan worden onderschreden, maar mag nooit worden overschreden. Elk elektron heeft op zijn schil een bepaalde energie die kenmerkend is voor het specifieke chemische element.

Een soort vingerafdruk

Hoe verder de baan van een elektron van de kern verwijderd is, hoe meer energie het elektron heeft. Het zou echter het liefst op de binnenste schillen blijven, omdat atomen een toestand van minimale energie nastreven. Als er op een binnenste schil een plaats vrijkomt, wordt deze onmiddellijk ingenomen door een elektron dat zich verder naar buiten bevindt. Op de buitenste schil heeft het elektron echter meer energie dan op de binnenste schil.

Dit elektron moet deze energie afgeven als het naar binnen wil springen. Dit gebeurt door de emissie van straling. De afgegeven straling komt overeen met het energieverschil tussen de schil waaruit het elektron springt en de schil waarnaar het elektron springt. Maar omdat de energieën van beide schillen kenmerkend zijn voor het betreffende chemische element, is dit ook hun energieverschil. Met andere woorden: de vrijgekomen straling kenmerkt het betreffende geëxciteerde chemische element op absoluut eenduidige wijze – een soort vingerafdruk.

Elektronenstraalspectroscopie maakt gebruik van dit effect

Er wordt energie toegevoerd (het opgelegde talerproefstuk wordt in het apparaat onder spanning gezet) – de elektronen “springen” en zenden straling uit. In de spectrometer wordt de door de elektronen uitgezonden straling ontleed voor de daaropvolgende spectrale analyse.

Moderne hoogwaardige spectrometers

Wanneer een moderne spectrometer een gietijzeren monster met veel chemische elementen analyseert, ontstaan er talloze spectraallijnen (die van ijzer, koolstof, silicium, …). Een moderne hoogwaardige spectrometer ‘ziet’ na de ontleding van de straling duizenden spectraallijnen.

Het apparaat analyseert wiskundig de energie en intensiteit van de spectraallijnen. De energieën van de spectraallijnen geven informatie over de chemische elementen waaruit het monster is samengesteld. De intensiteiten van de spectraallijnen geven informatie over de concentratie van de betreffende chemische elementen in het monster. Door vergelijking met de kalibratiecurves uit de interne database van het apparaat wordt de chemische samenstelling van het onderzochte monster gedetailleerd bepaald.

Chemische analyse

De meeteenheid van de spectrometer stuurt de gemeten energieën en intensiteiten dus door naar de computer van de spectrometer, die in zijn kalibratiecurvedatabase “kijkt” en zo aan elke meting een chemische analyse kan toewijzen. Zo kan aan elk ’talermonster’ de chemische samenstelling worden toegewezen – ongeacht of het gaat om gietijzer met bolgrafiet, gietijzer met lamellengrafiet, gelegeerd met SiMo of met een hoog nikkelgehalte (Ni-Resist).

Astronomen en astrofysici van de ETH Zürich werken op een vergelijkbare manier: ze meten licht en denken na over het heelal en het ontstaan ervan…

Onze doelstelling is iets anders, maar ook voor ons geldt: kwaliteit is onze maatstaf!