光学分析法导论课件

1、第二章 光学分析法导论Chapter IIIntroduce to Optical Analysis电磁辐射的基本性质电磁辐射 近代研究和实验结果表明，电磁辐射具有波粒二象性。电磁辐射的波动性 电磁辐射的传播以及反射、衍射、干涉等现象可以用波动性来解释。电磁波 根据经典物理的观点，电磁波具有相同同位相的两个互相垂直的振动矢量，一个是沿Y轴方向变化的电场矢量E，一个是沿Z轴方向变化的磁场矢量H，E和H都与电磁波的传播方向垂直。（1）周期T两个相邻矢量极大（或极小）通过空间某固定点所需的时间间隔叫做辐射的周期，单位为秒（s）。（2）频率（3）波长 相邻两极大或极小值之间的距离，所用单位随着不同的电

2、磁波谱区而不同。常用的单位有厘米（cm），微米（m），纳米（nm）。描述电磁波的参数（4）波数 每厘米内波的数目，即单位距离中极大值的数目。它等于以厘米为单位的真空中波长的倒数，=1/，单位为cm-1。（5）传播速度v 波在一秒钟内通过的距离。由于波每秒有次振动，而每次振动通过的距离为，所以：V = 描述电磁波的参数电磁辐射的粒子性 电磁辐射的吸收和发射等同物质相互作用的现象则就不能用波的模型来解释。这时必须将其看作是不连续的能量微粒，即光子或光量子。 光子具有能量hv，具有动量hv/c。每个光子的能量E与相应的频率及波长有如下关系： E= h v = h c/= h c 光子的动量p与波长的

3、关系为： p = h/c = h/频率（Hz）波长电磁波跃迁类型6.0 10196.0 1019 3.0 1016 3.0 1016 1.5 10151.5 1015 7.5 10147.5 1014 3.8 10143.8 1014 1.2 1012 1.2 1012 6.0 1012 6.0 1012 3.0 10113.0 1011 1.0 109 1.0 109 0.005nm0.005-10nm10-200nm200-400nm400-800nm0.8-2.5m2.5-50 m50-1000 m1-300mm 300mm 射线区X射线区真空紫外光区近紫外光区可见光区近红外光区中红外光

4、区远红外光区微波区无线电波区核能级K,L层电子能级K,L层电子能级外层电子能级外层电子能级分子振动能级分子振动能级分子转动能级分子转动能级电子和核的自旋电磁辐射按波长或频率的大小顺序排列起来，称为电磁波谱。2. 电磁波谱光与物质的相互作用 (1) 吸收 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级 (2) 发射 将吸收的能量以光的形式释放出 (3) 散射 丁铎尔散射和分子散射 (4) 折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同 (5) 反射 (6) 干涉 (7) 衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。 1. 概念：当粒子（

5、原子、分子、离子）吸收的光子能量与他们的基态（ M ）能量和激发态（ M* ）能量之差E=h相等时，该光子将被粒子选择性吸收，粒子由基态跃迁到激发态，这个过程称为吸收过程。 M M* 2. 吸收光谱( absorption spectrum)：以波长为横坐标，被吸收辐射的相对强弱（A or T）为纵坐标作图，得到物质的吸收光谱。对吸收光谱的研究可以确定式样的组成、含量、结构。 3. 吸收光谱法：根据吸收光谱原理建立的分析方法 h 吸收(absorption)过程朗伯-比尔定律朗伯定律 1729年波格尔(Bouger)在实验中发现物质对光的吸收与吸光物质的厚度有关。朗伯波格尔的学生进一步研究并于

6、1760指出：当溶液的浓度一定，光的吸收程度与液层厚度成正比，这就是朗伯定律。 表示为： A=k1b A吸光度 K1比例常数光的吸收基本定律示意图 比尔定律1852年比尔（beer）在研究各种无机盐对红光的吸收后又指出：当单色光通过溶液层的厚度一定时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比，即比尔定律，表示为： 光的吸收基本定律示意图 朗伯比尔定律（一）将朗伯定律和比尔定律合并，即为朗伯比尔定律。 a吸光系数 A吸光度.为无因次量 b液层厚度.一般单位为cm 光的吸收基本定律示意图 朗伯比尔定律（二） 如果 c 以 g/L 表示时，a 的单位为：L.g-1.cm-1若 c 以 mol/L 表示，此时，

7、吸光度采用摩尔吸光度系数 表示。单位为：L.mol-1cm-1。则有： A=bc (Epsilon )的物理意义及计算 摩尔吸光度系数,数值上等于1mol/L的吸光物质在1cm光程中的吸光度 （1）吸光物质在特定波长和溶剂中的一个特征 常数 （2）值愈大，方法的灵敏度愈高（显色反应愈好） 值可以从实验中得到。例： CFe2+为5.010-4 g.L-1的溶液，在一定条件下，经啉菲罗啉显色后，在波长510nm，比色皿厚度为 2cm 时测得A=0.19，求啉菲罗啉亚铁的 与 a 值。铁的相对原子量为55.85。 解：根据朗伯比尔定律 A=abc续例： 由实验结果计算时，常以被测物质的总浓度代替吸收

8、物质的浓度，这样计算得到的值，实际上是表观摩尔吸收系数，与a的关系为 = M a M 吸光物质（非显色剂）原组分的摩尔质量=55.85190=1.1104(L.mol-1.cm-1)2.2 发射(emission)过程 1. 概念：物质（粒子）吸收能量后由基态（ M ）变为激发态（ M* ），激发态很不稳定，在短暂时间（ab 10-8s）内，由从高能态回到低能态，将吸收的能量以光的形式释放出来,该过程称为发射过程。 M* M + h 2. 发射光谱法(emission spectrum)：试样的激发有的通过电子碰撞引起（电激发、电弧、火焰的热激发）有的通过适当的光激发等。由于各种元素的原子、离

9、子和不同物质的分子的能级分布是特征的，从从高能态回到低能态时发出的光子能量也是特征的。利用特征光谱可进行定性分析，根据特征光谱的强度可进行定量分析。2.3 散射（scattering）过程1. 概念：光与物质作用后，光的传播方向发生了改变，这种现象称为散射。例如：当介质粒子（乳浊液、悬浊液、胶体）大小与入射光的波长相差不大时，散射光的强度增强。Tyndall效应就是由溶胶对光的散射引起的，以此为基础而建立的分析方法称为散射浊度分析法。2. 散射的种类：（1）弹性碰撞：当介质分子比光的波长小()时发生Rayleigh散射，这是弹性碰撞（碰撞时没有能量交换，只改变光子的运动方向，因此散射光的频率不

10、变）。散射光强度与入射光波长的4次方成反比例。（2）非弹性碰撞：在非弹性碰撞中，光与物质作用后，光子的能量发生了改变（即散射光的频率发生改变）、运动方向也发生改变，这种散射称为Raman散射（1928年印度物理学家C.V. Raman 发现的）。散射频率高于入射光德为反Stokes线；散射频率低于入射光的为Stokes线；Stokes线和反Stokes线称为拉曼谱线。拉曼位移与分子的振动频率有关。具有拉曼活性的分子振动时伴有极化率的变化，振动时极化率越大，拉曼散射越强。利用拉曼位移研究物质的结构，其方法称为拉曼光谱。2.4 干涉过程光的干涉 在一定条件下，当频率相同、振动方向相同、位相恒定的波

11、源所发生的两束波在传播过程中，由于存在光程差，致使两束波在相遇时产生波的叠加。出现光的加强和削弱，呈现明暗相间的条纹，这种现象称为光的干涉。若两波相互加强则出现明亮条纹；若相互抵消则出现暗条纹。如水面油膜的五光十色。明亮条纹：若两束波的光程差等于波长的整数倍，叠加波加强到最大，干涉出现明亮条纹。即 =K (K=0,1,2,3,) 暗条纹：若两束波的光程差等于/2的奇数倍，叠加波得到最大的减弱，干涉出现暗条纹。即 =（2K+1）/2 (K=0,1,2,3,)2.5 衍射过程 波的衍射：光波通过障碍物或通过狭缝时。以约180的角度向外辐射，波前进的方向发生了弯曲即光偏离直线传播的现象，称为波的衍射

12、，它是干涉的结果。衍射现象是光栅分光的基础，晶体衍射是X射线衍射分析的基础。 若以一束平行的单色光通过一狭缝（狭缝宽度为a）AB时，部分光将偏离入射方向,以角方向传播，经聚焦后，入射光位于Po点，衍射光聚焦于P点。由于通过狭缝聚焦于P点的光束的光波之间存在光程差，因此，在聚焦点产生广的干涉现象。可在屏幕xy上看到或明或暗交替的衍射条纹。 明亮条纹：当光程差AC等于波长的偶数倍时，则P点出现明亮条纹。即 AC=a sin=K （K=0,1,2,3,） 暗条纹：当光程差AC等于半波长的奇数倍时，则P点出现明亮条纹。即 AC=a sin=（2K+1）/2 （K=0,1,2,3,） K=1，2，3为一

13、级、二级、三级明暗条纹=0时的条纹称为零级明亮条纹2.6 折射与反射过程1.折射： 当光从一种介质（1）照射到另一种介质（2）的界面时，一部分光在界面上改变方向返回介质（1），称为光的反射。另一部分光则改变方向以r的角度（折射角）进入介质（2），这种现象称为光的折射。棱镜的分光作用就是基于物质对光的折射作用。折射率： 折射的程度用折射率n表示 介质的折射率定义为：光在真空中的速度C1与光在该介质中的速度C2之比（两种介质的相对折射率） 2. 反射当光通过具有不同折射率的两种介质的界面时会产生反射。反射率（反射分数）： Ir, Io分别为入射光和反射光强度 n1,n2分别为光在介质1和介质2种的

14、折射率。注意：当光由空气（n=1.00029）通过玻璃（n=1.5）时，在每一空气-玻璃界面约有40%的反射损失，这种损失存在于各种光学仪器中，尤其是有多个界面的光学仪器。 由物质的折射率求出该物质的浓度或纯度的方法称为折射法。问题：为何光学仪器的镜头看起来是蓝紫色的？2.7 偏振 平面偏振光： 自然光是一种复合光，电磁辐射的电场矢量分布在垂直传播方向的平面上的任何方向。当它通过某一物质后，某一方向的振动保留下来，另一方向的振动被消除，这种只在某一固定方向有电场矢量或磁场矢量的光称为平面偏振光。 左旋圆偏振光和右旋圆偏振光： 对着光的传播方向，电场矢量振动方向沿着反时针方向旋转的称为左旋偏振光

15、。沿着顺时针方向旋转的称为右旋圆偏振光。 当平面偏振光进入非旋光物质时，左、右圆偏振光的传播速度一样，任何时刻他们的矢量叠加形成的平面振动方向始终不变。 旋光，旋光活性物质，旋光度 当平面偏振光进入旋光物质时，由于其折射率不同，导致左、右圆偏振光的传播速度不一样，是叠加形成的平面振动光的振动方向发生变化，旋转了一个角度，这种现象称为旋光。产生旋光的物质称为旋光活性物质；角度称为旋光度；基于旋光原理的分析方法称为旋光色散法。另一种情况是平面偏振光与物质作用后，物质对左、右圆偏振光的吸收程度不一样，导致左右圆偏振光的振幅不同。两个振幅不同的、并沿着相反方向旋转前进的圆偏振光的合成矢量是一种椭圆旋转

16、，形成椭圆偏振光。用椭圆率表示两种圆偏振吸收系数的差别而建立的分析方法称为圆二色法。第三节 光学分析法的分类2.1 光学分析法（optical analysis）：是基于电磁辐射与物质相互作用后产生的辐射信号或发生的光学性质（如吸收，发射，散射，衍射等）变化来测定物质的性质、含量和结构的一类分析方法。分为非光谱法（nonspectrum method）和光谱法（spectrum method）2.1.1 非光谱法（nonspectrum method）：不涉及物质内部能级的跃迁，通过测量光与物质相互作用时的折射、反射、散射、衍射、色散、干涉、偏振光等性质的变化而建立起来的分析方法。有折射法、光

17、散色法、干涉法、衍射法、旋光法、圆二向色谱法。如浊度法、糖量计、旋光仪、x射线衍射法等。2.1.2 光谱分析(spectroscopic analysis)：是物质与光相互作用时物质内部发生了量子化能级间的跃迁，从而测定（发射或吸收）光谱的波长和强度进行分析的方法。光谱法分为原子光谱法和分子光谱法光谱法分为原子光谱法和分子光谱法原子光谱（线性光谱）法:是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱分析方法有原子发射光谱（AES） 原子吸收光谱（AAS） 原子荧光光谱（AFS） x射线荧光光谱法（XFS） 基于原子核与射线作用的穆斯堡谱 分子光谱（带状光谱）：基于分子中电子能级、振

18、-转能级跃迁； 是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱分析方法: 紫外光谱法（UV）； 红外光谱法（IR）； 分子荧光光谱法（MFS）； 分子磷光光谱法（MPS）； 核磁共振与顺磁共振波谱 各种光分析法简介(1)1.原子发射光谱分析法atomic emission spectrum,AES 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。2.原子吸收光谱分析法 atomic absorption spectrum,AAS 利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量

19、分析方法。思考： 原子吸收光谱和原子发射光谱的区别3.原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。 4.分子荧光分析法 molecular fluorescence spectrometry 某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。 各种光分析法简介(2)6. X射线荧光分析法 X-ray fluorescence analysis, X-ray fluor

20、imetry 原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（ X射线荧光），测定其强度可进行定量分析。5. 分子磷光分析法 Molecular phosphorimetric analysis 处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。各种光分析法简介(3)7. 化学发光分析法 chemiluminescence analysis 利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。8. 紫外可见吸收光谱ultraviolet-visi

21、ble absorption spectrum利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。 各种光分析法简介(4)9.红外吸收光谱分析法 infrared absorption spectrometry 利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。 10.核磁共振波谱分析法nuclear magnetic resonance spectroscopy 在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构

22、分析 。各种光分析法简介(5)11.顺磁共振波谱分析法 paramagnetic resonance spectroscopy 在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析 。 12.旋光法 polarimetry 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。 各种光分析法简介(6)13.衍射法 diffraction X射线衍射X-ray diffraction：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。 电子衍射：电子衍射electron

23、diffraction analysis是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。几个名词 Spectrometry 光谱法 spectrum光谱 spectroscopy光谱学 spectrometer光谱仪各种光分析法简介(7)光谱仪器通常包括五个基本单元：1.光源；2.单色器；3.样品池；4.检测器；5.显示与数据处理；光谱法仪器三种光分析法测量过程示意图光分析法仪器的基本单元1. 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：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；2.单色器单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长 可在很宽范围内任意改变； 主要部件：（1）进口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线； （3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的 角度进行传播；（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器 的出口曲面上成像。 棱镜 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