第一章光学分析法导论(第一论)

第一章光学分析导论什么是电磁辐射？电磁辐射又称电磁波，是一种以极大的速度（在真空中为C＝2.99792×1010cm·s-1）在空间（而不需要以任何物质作为媒介）传播的交变电磁场。注意：是一种能量形式！具有一定的频率、强度和速度。光是一种电磁波。第一节：电磁辐射一、电磁辐射的性质:波粒二象性（一）波动性

电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，称之为电磁波。图2-1表示一束沿x轴方向传播的电磁波。电场矢量(E)在y轴方向周期性地变化，相应的磁场矢量(H)在z轴方向上周期性地变化，均呈现出波动性质。因为电矢量同物质中的电子相互作用，所以，一般只用电矢量图来描述电磁辐射。图2-1电磁波的传播

电磁辐射：是一种以巨大速度通过空间传播的光子流，具有波粒二象性。波动性（光的折射、衍射、反射、干涉、偏振等）：特征是每个光子或光量子具有一定的波长，可用速度、频率或波数等参数加以描述。

（1）波长（λ）：是指在波的传播方向上具有相同振动位相的两点间的距离。也即是一次全振动的距离。

（2）波数(σ)：为波长的倒数，单位为cm-1，表示每厘米长度中波的数目。若波长以μm为单位，则波长与波数的换算关系为

（3）频率（υ）：是指单位时间内电磁波振动的次数，单位为赫兹（Hz）或s-1。

（4）速度（v或c）：每秒内辐射传播的距离，单位cm/s。在不同的介质中光传播的速度不同

只有在真空中所有的电磁波的传播速度才相同c=2.99792×1010cm/s≈3×1010cm/s。例1钠原子发射波长为589nm的黄光，其频率是多少？解：1nm=10-7cm589nm=5.89×10-5cm

例2波长λ=4μm的红外光，其波数为多少？

由于在电磁波传播过程中，只有波参数频率始终保持不会改变，即频率与介质无关，因此，用频率能够表征电磁辐射的特性。

粒子性（光电效应）：其特征是每个光子或光量子具有一定的动能，具有量子化的能量。能量与波长和频率的关系为：

h＝6.626×10-34J.s=4.136×10-15ev.s（1ev=1.602×10-19J）。

二、电磁波谱电磁辐射按波长顺序排列得到了电磁波谱。它是物质内部运动变化的客观反映。高能辐射区中能辐射区低能辐射区将电磁波谱分成若干区域，不同的波长区域对应着物质不同类型的能级跃迁电磁辐射(电磁波)按其波长可分为不同区域-电磁波谱：射线5*10-30.14nm

X射线10-310nm高能辐射区

远紫外10200nm近紫外200400nm可见光400780nm近红外0.782.5m中红外2.550m远红外501000m中能辐射区(光谱光学区)

微波0.1100cm射频区11000m低能辐射区(波谱区)射线波长最小,能量最大;射频区波长最大,能量最小三、电磁辐射与物质的相互作用基态激发态Eh=E吸收辐射发射（一）物质对电磁辐射的发射粒子（原子、分子或离子）吸收外界能量后，便从基态或低能态跃迁到高能态。若以辐射的方式回落到基态或低能态，便得到发射光谱。由于跃迁能级的不同，得到的发射光谱各部相同。因此，可以利用特征光谱进行定性分析，利用强度进行定量分析。

分子荧光原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱分子磷光分析法发射光谱分析法（二）物质对电磁辐射的吸收当基态或低能态粒子受到电磁辐射的照射，选择性地吸收其中某些频率的辐射能而跃迁到激发态，这一现象称之为物质对电磁辐射的吸收。只有辐射大小等于两能级能量差（△E）的能量才能被粒子吸收，太大或太小的能量均不能被吸收，即任何粒子对电磁辐射的吸收都是有选择性地。原子吸收光谱法紫外-可见分光光度法红外吸收光谱法核磁共振波谱法X射线吸收光谱法吸收光谱分析法第三节原子光谱和分子光谱按产生光谱的基本粒子不同可分为原子光谱和分子光谱。由于原子结构和分子结构不同，产生的光谱特征亦不同。无论哪种光谱其与原子或分子内能变化的关系服从

由此可见每一条所发射（或吸收）的谱线的波长取决于跃迁前后的能量差。一、原子光谱（1）原子发射光谱当基态原子在外界能量（如热能、电能等）的作用下，便跃迁到激发态后又返回到基态并发射出特征谱线。这种由高能态跃迁回基态而产生的光谱称为原子发射光谱。（2）原子吸收光谱当光辐射通过基态原子蒸气时，基态原子吸收与其能级跃迁相等的能量，从基态跃迁到激发态。由原子这种选择性吸收而获得的特征光谱称为原子吸收光谱。（3）原子荧光光谱当激发态原子通过光辐射释放能量而跃迁回到基态。这种光辐射叫原子荧光。二、分子光谱（1）分子吸收光谱基态分子通过辐射能进行选择性地吸收后跃迁到较高能态所产生的光谱叫分子光谱。根据分子跃迁类型的不同，可将分析吸收光谱分为电子光谱、振动光谱和转动光谱。（2）分子发光光谱分子发光光谱包括分子荧光光谱、磷光光谱和化学发光光谱。化学发光是在化学反应中产生的光辐射。它由参与化学反应的反应物或产物吸收该反应释放的化学能而被激发并发射光子，或者将化学能转移至受体分子，使受体分子发射光子。

三、光分析分类光谱法——基于物质与辐射能作用时，发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；原子光谱、分子光谱、原子光谱（线性光谱）：最常见的四种基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）；原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）；基于原子内层电子跃迁的X射线荧光光谱（XFS）分子光谱（带状光谱）：

基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；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（N）；非光谱法：不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；

光分析法光谱分析法非光谱分析法折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法