光学分析法导论.ppt

第二章光学分析法导论 第二章光学分析法导论 2 1概述2 2光的基本性质一 光的波粒二象性二 电磁波谱2 3光与物质的相互作用一 吸收与发射二 透射和散射三 折射与反射四 干涉与衍射 自学 2 4光谱产生的原理及光谱法分类一 光谱产生的原理二 光谱法的分类 2 1概述光学分析 基于电磁辐射与物质相互作用而产生的辐射信号或发生的变化测定物质的性质 含量及结构 光谱法 非光谱法 光谱分析法 通过测量光与物质相互作用时 由物质内部量子化能级跃迁产生的发射 吸收或散射的波长和强度进行分析 2 2光的基本性质 一 光的波粒二象性光是一种电磁辐射 是一种以极大速度通过空间 不需要任何传播媒介的能量 1 光的波动性现象 传播 反射 衍射 干涉 折射 散射等 具有波长 频率 波长 频率 c 光速 0 108m s 2 光的粒子性光由光子 光量子 组成 具有能量 E E 能量 h 普朗克常数6 626 10 34J s 波粒二象性 可见 不同波长的光 辐射 具有不同的能量 波长越长 能量越低 反之 波长越短 能量越高 E也可用eV 电子伏特 表示 1eV 一个电子通过电位差为1v的电场所获得的能量 常作高能量的单位 二 电磁波谱电磁波谱 电磁辐射按照波长的长短排列起来 表3 1 能谱 波长小于10nm E 102eV 粒子性较明显 射线 X射线 由此建立起来的分析方法 称能谱分析 波谱 波长大于1mm E 10 3eV 波动性较明显 微波 无线电波 由此建立起来的分析方法 称波谱分析 光学光谱 介于两者之间电磁辐射波谱 需借助于光学仪器才能获得 由此建立起来的分析 称光学光谱分析 简称光谱分析 2 3光与物质的相互作用 一 吸收与发射吸收 当光与物质接触时 某些频率的光被物质选择性地吸收并使光强度减弱的现象 吸收的实质 光的能量被转移到物质的分子或原子中 分子或原子因此由较低能量状态跃迁到较高能量状态 只有当光的能量 hv 等于分子 原子或离子中高能级与低能级的能量 E 差相等时 才能被吸收 选择性 吸收光谱 吸收强度 入射光波长的关系图 定性参数 发射 当物质吸收了能量后从低能态 基态 跃迁至高能态 激发态 时 由于激发态是不稳定的 约经10 8S后又会回落到基态 以光的形式释放出能量的现象 同样 发射光满足 二 透射和散射透射 光通过透明介质后 只减慢了传播速度 光的频率不变的现象 散射 光通过不均匀介质后 一部分光改变了传播方向现象 三 折射与反射折射 光从一种透明介质进入另一透明介质时 由于其传播速度的变化 光的前进方向发生改变的现象 色散 物质对光的折射率随光的频率变化而变化的现象 色散现象广泛用于光谱分析之中 分光 将波长很宽的复合光分散为波长范围很窄的单色光 反射 光通过不同折射率的两种介质的界面时发生的反射现象四 干涉与衍射 2 4光谱产生的原理及光谱法分类 一 光谱产生的原理光的本质是一种与物质内部运动有关的电磁辐射 组成物质的各种微粒总是处于特定的运动状态之中 每一种状态具有一定的能量 能量的多少都是量子化 不连续 的 每一个能量值 称一个能级 由于每一种分子的结构各不相同 因此 每一种分子具有特征的能级结构 图3 1基态 能量最低的运动状态 激发态 能量高于基态的各种运动状态 从低到高 第一激发 第二激发 分子的总能量 E总 E转 E振 E电当E光 h E总时 发生能级间跃迁 E光 E总 hv E转 E振 E电 E电 E振 E转 吸收光谱 把物质对光的吸收按照波长的次序排列记录下来得到的光谱 发射光谱 把光的发射按照波长的次序排列记录下来得到的光谱 各种不同的物质由于其组成和结构的不同 获得光谱各有不同的特征 可根据光谱特征 研究物质的组成和结构 二 光谱法的分类 线光谱 带光谱和连续光谱 按光谱的性质和形状分 线光谱 由一系列有确定峰位的 宽度为10 5nm的锐线组成 气态原子发生电子跃迁 产生的紫外 可见光区的光谱即线光谱 带光谱 由于许多量子化的振动和转动能级叠加在分子的基态能级上形成的光谱 由一系列靠得很近的线光谱组成 因为仪器不能完全分辨而呈现带光谱 分子发生的光谱 连续光谱 波长范围很宽的光谱 由炽热固体物质或复杂的分子受激后 发射出的光谱 因此 连续光谱也称固体光谱 是光谱仪器的重要光源 2 吸收光谱与发射光谱吸收光谱 分子或原子由基态向激发态跃迁产生的光谱 特征 在连续的亮背景上有暗线或暗区 发射光谱 吸收了光能处于激发态的分子或原子 在很短的时间 以光辐射的形式释放出多余的能量 回落到基态过程中产生的光谱 特征 在暗背景上有明亮的谱线或谱区 3 原子光谱和分子光谱原子光谱 气态原子发生能级跃迁时 吸收或发射一定频率 波长 的电磁辐射 由光谱仪测得的一条条分离的线状光谱 由于原子没有振动和转动能级 因此原子光谱的产生主要是电子能级跃迁所致 因此吸收或发射的是一些频率不连续的辐射 因而得到的是一条条彼此分离的线光谱 分子光谱 处于气态或溶液中的分子发生能级跃迁时 所吸收或发射的具有一定频率 波长 范围的电磁辐射组成的带状光谱 由于分子能级包括电子能级 振动能级和转动能级 每个电子能级上叠加了振动能级 分子在振动能级之间跃迁时 必然伴随着转动能级之间跃迁 同样 分子在电子能级之间跃迁时 必然伴随着振动和转动能级之间的跃迁 因此 分子光谱是带状光谱 波长为200 800nm的紫外 可见光区的电磁辐射可使分子的价电子发生电子能级之间