大学仪器分析教学课件(光谱法仪器与光学仪器)

1、0:05:55第三节第三节第三节第三节第三节第三节 光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光学器件学器件学器件学器件学器件学器件一、一、光谱法仪器的基本流程光谱法仪器的基本流程general process of spectrometry二、二、光谱仪器的基本器件光谱仪器的基本器件main parts of spectrometry 第二章第二章第二章第二章第二章第二章 光分析导论光分析导论光分析导论光分析导论光分析导论光分析导论 an introduction to optical analysis instruments for spectro-

2、metry and optical parts0:05:57一、一、一、一、一、一、光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometrygeneral process of spectrometrygeneral process of spectrometry 光谱仪器通常包括五光谱仪器通常包括五个基本单元：个基本单元：光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；0:05:57二、二、二、二、二、二、光分析法仪器的基本单元光分析法仪器的基本单元光分析法

3、仪器的基本单元光分析法仪器的基本单元光分析法仪器的基本单元光分析法仪器的基本单元 main parts of spectrometrymain parts of spectrometrymain parts of spectrometry 1. 1. 光源光源 依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：连续光源连续光源：在较大波长范围提供的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源线光源：提供的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；0:05:582.2.2.2.2.2.单色器单色器单色器单色器单色器单色器 单色器单色器：将复合光分解成单色光

4、或有一定宽度的谱带的装置。 主要部件主要部件：（1）进出口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线； （3）(棱镜、光栅)：使不同波长不同波长的辐射以的进行传播；0:05:580:05:59棱镜棱镜棱镜棱镜棱镜棱镜根据光的折射现象进行分光根据光的折射现象进行分光根据光的折射现象进行分光 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。 平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱； 棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；0:05:59棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数棱镜的特性

5、与参数棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数（1 1）色散率）色散率 角色散率：用d/d表示，表示偏向角偏向角对波长的变化率；dd2sin12sin2dd22nn 棱镜的顶角越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角； 0:06:00（2 2 2 2 2 2）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率 相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：ddnbR： 两条相邻谱线的平均波长；：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。 所以，棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料； 分辨率与波长

6、有关分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱非均排光谱。0:06:00光栅光栅光栅光栅光栅光栅(p79)(p79)(p79)(p79)(p79)(p79) 通过在平板通过在平板玻璃玻璃或或金属板金属板上刻上刻划出一道道划出一道道等宽等宽、等间距等间距的刻痕的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为米为12001200条、条、18001800条或条或24002400条；条；根据工作方式不同分为：根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅；透射光栅，反射光栅； 光栅光谱的产生是多狭缝与单狭缝共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置位置，后

7、者决定谱线强度分布谱线强度分布；0:06:01光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅公式：d (sinsin)=K、分别为入射角和衍射角；K为光谱级次,K=0, 1, 2, 整数 d为光栅常数(mm):相邻两刻痕间的距离，即为光栅刻痕密度b（mm-1)的倒数； 为衍射光的波长为衍射光的波长0:06:01光栅公式 d (sinsin)=Kdsin为相邻入射光波与的光程差；dsin为相邻衍射光波与的光程差；d (sinsin)为光波 与光波 的总光程差；加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧，减号表示它们在光栅法线的异侧；当一束复合光以一定的入射角

8、照射光栅时，不同波长的单色光在不同衍射角的方向发生干涉。 在某一光谱级次中，即当K, , d一定时，波长愈长的单色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。0:06:02光栅的参数：光栅的参数：光栅的参数：光栅的参数：光栅的参数：光栅的参数： 光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：cosdKdd d/d为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。 当很小，且变化不大时，cos 1，光栅的角色散率决定于光栅常数 d 和光谱级数K ，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。 角色散率只与色散元件的性

9、能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。0:06:02光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的线色散率线色散率线色散率线色散率线色散率线色散率dfKdfKfddddlcos f 为会聚透镜的焦距焦距。 倒线色散率倒线色散率：用d/dl 表示， d/dl 值越大，值越大，色散率越小色散率越小 0:06:03光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力 光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。 等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光

10、学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；0:06:03光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率R R R 光栅的分辨率R 等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：NKR 光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。如宽度50mm，N=1200条/mm， 一级光谱的分辨率： R=1501200=61040:06:04：用：用：用：用：用：用dn/ddn/ddn/d=1.3=1.3=1.3=1.3=1.3=1.3101010-4-4-4nmnmnm-1-1-1的的的的的的606060熔凝石英熔凝石英熔凝石英熔凝石英熔凝石英熔凝石英棱镜和刻有棱镜和刻有棱镜和刻有

11、棱镜和刻有棱镜和刻有棱镜和刻有200020002000条条条条条条 mmmmmm-1-1-1的光栅来色散的光栅来色散的光栅来色散的光栅来色散的光栅来色散的光栅来色散LiLiLi的的的的的的460.20nm460.20nm460.20nm和和和和和和460.30nm460.30nm460.30nm两条谱线。试计算两条谱线。试计算两条谱线。试计算两条谱线。试计算两条谱线。试计算两条谱线。试计算（1 1 1）分辨率；分辨率；分辨率；分辨率；分辨率；分辨率；(2)(2)(2)棱镜和光栅的大小棱镜和光栅的大小棱镜和光栅的大小棱镜和光栅的大小棱镜和光栅的大小棱镜和光栅的大小 解（1）棱镜和光栅的分辨率31

12、06 . 420.46030.4602/ )20.46030.460(nmnmnmnmR0:06:04（2 2 2）棱镜的大小，即底边长）棱镜的大小，即底边长）棱镜的大小，即底边长）棱镜的大小，即底边长）棱镜的大小，即底边长）棱镜的大小，即底边长 算出光栅的总刻痕数N，对于一级光谱 光栅的大小，即宽度W为W=Nd=N/2000mm-1=4.6103/2000mm-1=0.23cmcmbnmbnbR5 . 3103 . 1106 . 4dd1433106 . 4KRNNKR0:06:05狭缝狭缝狭缝狭缝狭缝狭缝 单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上

13、形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。 0:06:05 分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开最小波长间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽表示： S = DW D为倒线色散率；W为狭缝宽度； 在原子发射光谱分析中， 定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高； 定量分析时，增大狭缝宽度，可得到较大的谱线强度。 狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上；0:06:063.3.3.3.3.3.试样装置试样装置试样装置试样装置试样装置试样装置 光源与试样相互作用的场所（1）吸收池）吸收池

14、紫外，荧光分析法：石英比色皿 可见分光光度法：玻璃比色皿 红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片（2）特殊装置）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子； 原子发射光谱分析：试样喷入火焰； 详细内容在相关章节中介绍。0:06:074. 4. 4. 4. 4. 4. 检测器检测器检测器检测器检测器检测器（1）光检测器）光检测器 主要有以下几种： 硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（2）热检测器）热检测器 主要有： 真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种； 热释电检测器：5. 5. 信号、与数据处理系统信号、与数据处理系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；0:06:07内