《仪器分析》课件-第二章 光谱分析法概论

SPECTROSCOPYFUNDAMENTALS光谱分析法概论探索物质与光的奥秘波粒二象性电磁波谱仪器分析CONTENTS目录01电磁辐射及其与物质的相互作用深入探索光的本质特性，全面理解电磁波谱的构成体系，以及光与物质相互作用的基本原理与机制02光学分析法的分类详细掌握光谱法与非光谱法的核心区别，深入理解原子光谱与分子光谱的本质差异，以及吸收光谱与发射光谱的不同特征03光谱分析仪器系统学习光谱分析仪器的五大核心组成部分，包括辐射源、分光系统、检测装置等关键部件的结构设计与工作原理OPTICALANALYSIS光学分析法：物质分析的科学之光光学分析法（opticalanalysis）是根据物质发射或吸收电磁辐射以及物质与电磁辐射相互作用来对待测样品进行分析的一类方法。光与物质的对话，揭示微观世界的奥秘三个核心过程1辐射源提供电磁辐射产生特定波长范围的电磁波2电磁辐射与物质发生相互作用吸收、发射或散射过程3检测辐射信号的变化转化为可测量的电信号光谱分析流程辐射源提供能量待测物质相互作用辐射变化检测信号分析WAVE-PARTICLEDUALITY电磁辐射的波粒二象性波动性光在空间的传播可以用互相垂直的、以正弦波振荡的电场和磁场表示。描述参数λ波长σ波数ν频率微粒性体现在每个光子具有能量E，光子的频率越高、波长越短，其能量越大。E=hν普朗克公式h=6.626×10⁻³⁴J·s普朗克常数三者关系c=λν光速=波长×频率c=2.998×10⁸m/sσ=1/λ波数=1/波长单位：cm⁻¹能量单位换算1eV=1.602×10⁻¹⁹JELECTROMAGNETICSPECTRUM电磁波谱：从γ射线到无线电波电磁波按其波长或频率的顺序排列成谱，即为电磁波谱。频率越高，波长越短，其能量越大。任一波长光子能量，与物质内原子或分子的能量变化ΔE相对应。ΔE=EL=hν各种波长范围的电磁波及其对应的跃迁类型波长范围频率/Hz光子能量/eV电磁波能级跃迁类型<0.005nm>6.0×10¹⁹>2.5×10⁵γ射线原子核0.005～10nm6.0×10¹⁹～3.0×10¹⁶2.5×10⁵～1.2×10²X射线原子内层电子10～760nm3.0×10¹⁶～3.9×10¹⁴1.2×10²～1.6紫外-可见光原子及分子外层电子0.76～1000μm3.9×10¹⁴～3.0×10¹¹1.6～1.2×10⁻³红外光分子振动和转动0.1～100cm3.0×10¹¹～3.0×10⁸1.2×10⁻³～1.2×10⁻⁶微波电子自旋1～1000m3.0×10⁸～3.0×10⁴1.2×10⁻⁶～1.2×10⁻¹⁰无线电波核自旋INTERACTIONMECHANISMS电磁辐射与物质的三种相互作用吸收是指物质受到电磁波的照射，吸收一定的能量（等于基态和激发态能量之差），从基态跃迁至激发态的过程。能级跃迁示意激发态基态吸收光子发射是指物质吸收一定能量后，从激发态跃迁回到基态，并以光的形式释放出能量的过程。能级跃迁示意激发态基态发射光子拉曼散射光通过介质时会发生散射。拉曼散射是指光子与介质分子之间发生了非弹性碰撞，碰撞时光子不仅改变了运动方向，而且还有能量的交换，光频率发生变化。散射过程示意瑞利散射拉曼散射CLASSIFICATIONSYSTEM光学分析法的分类体系根据电磁辐射与物质间有无能量交换进行分类，可分为光谱法和非光谱法两大类。常见的光学分析方法光谱法非光谱法物理现象分析方法物理现象分析方法辐射的吸收•原子吸收光谱法•分子吸收光谱法（紫外-可见、红外、X射线）•核磁共振波谱法•电子自旋共振波谱法辐射的折射•折射法•干涉法辐射的发射•发射光谱法•荧光光谱法•火焰光度法•放射化学法辐射的衍射•X射线衍射法•电子衍射法辐射的散射•拉曼光谱法辐射的转动•偏振法•旋光色散法•圆二色性法光谱法特点涉及能量交换，产生特征光谱非光谱法特点不涉及能量交换，测量物理性质变化ATOMICVSMOLECULAR原子光谱与分子光谱的本质差异原子光谱法原子是光谱法中与电磁辐射相互作用而产生光谱的基本粒子之一。光谱特征线状光谱LineSpectrum原子能级是分立的，跃迁产生离散的谱线分子光谱法分子是光谱法中与电磁辐射相互作用而产生光谱的基本粒子之一。光谱特征带状光谱BandSpectrum分子能级复杂（电子+振动+转动），产生连续的谱带双原子分子能级示意图电子能级振动能级转动能级能级结构层次电子能级：能量差最大（1-20eV）振动能级：能量差中等（0.05-1eV）转动能级：能量差最小（<0.05eV）分子的总能量=电子能量+振动能量+转动能量，因此分子光谱呈现带状特征。ABSORPTIONVSEMISSION吸收光谱法与发射光谱法吸收光谱法AbsorptionSpectroscopy基本原理物质吸收特定波长的电磁辐射，从基态跃迁到激发态，通过测量吸收光的强度进行分析。能级跃迁示意基态激发态吸收光子常见方法紫外-可见吸收红外吸收原子吸收发射光谱法EmissionSpectroscopy基本原理物质从激发态回到基态，以光的形式释放能量，通过测量发射光的强度和波长进行分析。能级跃迁示意激发态基态发射光子常见方法荧光光谱磷光光谱原子发射INSTRUMENTCOMPONENTS光谱分析仪器的五大核心单元研究物质与电磁辐射相互作用时，吸收或发射的强度和波长关系的仪器称作光谱仪或分光光度计（spectrophotometer）。基本组成单元流程图辐射源提供能量分光系统分离波长样品容器放置样品检测装置转换信号数据处理记录分析连续光源线光源棱镜光栅比色皿吸收池光电管光电倍增管计算机工作站KEYCOMPONENTS光谱仪器关键部件详解辐射源连续光源•H₂/D₂灯：160～375nm（紫外）•W灯：320～2500nm（可见-红外）•氙灯：250～700nm（可见）线光源•空心阴极灯：元素特征谱线•激光器：高单色性、高强度要求：强度大、稳定性好分光系统核心元件•棱镜：利用折射分光•光栅：利用衍射分光主要构成狭缝→准直镜→色散元件→聚焦透镜有效带宽越小，分析性能越好样品容器材质选择•石英/熔融石英：紫外-可见光区•玻璃：可见光区（350～2000nm）