第二章光分析导论.ppt

1、2020/7/12,光分析法基础知识,一、概述 光分析法：是基于电磁辐射能与待测物质相互作用后，由所产生的辐射信号来确定待测物质组成和结构的方法。 光分析法的三个基本组成部分： （1）能量（光源，辐射源）的提供，并能与待测物质作用的“信号发生系统”； （2）色散系统（光谱法）-附图； （3）信号检测与处理系统,2020/7/12,二、光的性质及与物质的相互作用 1.光电磁辐射（电磁波）:是一种以极大的速度通过空间，而不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式。 电磁波在真空中的传播速度是2.99792 X 108 m/s,（1）电磁波的性质：电磁波具有波动性和粒子性 即“波粒二象性”。 波动性电磁

2、辐射是在空间传播着的交变电磁场，可以用 频率()、波长()和波数()等波参数表征。,频率：1秒钟内，通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目， 单位：s-1(Hz)； 波长：相邻波峰（或者相邻波上任意两个相同点）之间的距离 =c /, c 为光速，单位：m, cm, m, nm, 等。附图 波数：在波的传播方向上单位长度内波的数目， = 1 / , 单位：cm-1,2020/7/12,粒子性光可以被看作是具有一定能量的粒子流； 这种粒子称为光子或光量子。 普朗克方程： 该方程将电磁辐射的波动性和粒子性联系起来,E，光子能量；h，普朗克常量，6.62610-34 JS 注意： 频率更能表征辐射的特

3、征 频率 只决定于辐射源，而与介质无关 波长 与传播速度V、介质（折射率 n=c / V）有关 越大波动性越强，E越大粒子性越强,2020/7/12,核跃迁,磁场中自旋取向,分子转动,分子振动,共价电子跃迁,内层电子跃迁,波数 (cm-1),波长 (m),200 nm,800 nm,电磁波谱区域,近紫外,电磁波普电磁辐射按照波长的长短排列起来。,2020/7/12,电磁波谱区域与相应的光谱分析方法 光谱区域 波长范围 跃迁类型 光谱分析方法 射线 0.001 0.1 核能级跃迁 射线发射 法 莫斯堡尔 法 X射线 0. 1 100 原子內层电子能级跃迁 X-荧光、衍射法 电子能谱分析法 真空紫

4、外 10200nm 真空紫外吸收光谱法 紫外 200400nm 外层电子及价电子能级 紫外可见吸收光谱法 可见 400800nm 外层电子及价电子能级 原子吸收、发射、荧光法 分子荧光光谱法 近红外 0.82.5m 分子振动能级 红外吸收光谱 法 中红外 2.550m 分子振动能级 拉曼光谱 法 远红外 50300m 分子转动能级 微波 0.31000mm 分子转动、电子自旋能级 微波吸收、电子顺磁共振谱 无线电波 1m 1000m 核自旋 核磁共振谱,2020/7/12,能谱分析法波长小于10nm，能量大于102eV的电磁波谱， 粒子性明显，称为能谱，由此建立的分析方法 称为能谱分析法。如，

5、X射线衍射技术、X射线 光电子能谱技术。,X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射. 散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。,2020/7/12,波谱分析法波长大于1mm，能量小于10-3eV的电磁波谱， 波动性明显，称为波谱，由此建立的分析方法 称为波谱分析法。如核

6、磁共振波谱,光谱分析法波长及能量介于上述两种波谱之间的电磁波谱 通常借助于光学仪器获得，称为光学光谱，由 此建立的分析方法称为光谱分析法。,2020/7/12,复色光与单色光 复色光包含多种频率成分的光； 单色光采用一定方法获得的只包含一种频率 成分的光。,普通分析方法所获得的单色光往往不只包含一种频率成分；,光谱线的宽度（或半宽度）表示单色光的单色性； 谱线宽度越窄，光谱线所包含的频率（或波长）范围越窄； 表示单色性越好。,如，太阳光中红色光的波长范围是640680nm， 金属钠蒸汽发射的黄光波长范围是589.0589.6nm， 氦氖激光器发射的红光波长为632.8nm，宽度只有10-6nm

7、,2020/7/12,光的互补：若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光（无色的光），那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。,2020/7/12,光与物质的作用 光的吸收、发射 光的吸收光与物质接触时，某些频率的光被 选择性吸收并使其强度减弱，叫物质对光的吸收；,只有单色光才符合Lambert-Beer定律,K，比例常数，与介质的性质、温度及入射光波长有关； 当c以mol/L表示，L以cm表示时，K称为摩尔吸收系数，用表示，单位为L/mol/cm； 在特定波长（或频率）及介质下，是在一定温度下光吸收物质的一个特征常数，是该物质光吸收能力的量度。,2020/7/12,光

8、分析仪器的基本单元：,1.光源：需具有一定强度与稳定性；可分为连续光源与线光源,2020/7/12,2.单色器：包括色散元件（光栅和棱镜）、狭缝、准直镜等， 作用是将复色光色散成光谱带，以提供光谱带或 单色光。,2020/7/12,（1）棱镜由一块左旋石英和一块右旋石英组成的三棱体， 顶角60度。 一束平行复合光经过棱镜分光后，形成按波长顺序排列的光谱带，聚焦后再焦面上的不同位置成像，依次通过狭缝，即可获得不同波长的单色光。,棱镜对不同波长的光具有不同的折射率； 因此由棱镜获得的是非均匀排列光谱。,2020/7/12,（2）光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。 最早的光

9、栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划上大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条；,2020/7/12,3.狭缝：包括入射狭缝和出射狭缝；由两片精密加工的、具有 锐利边缘的金属片组成，两边必须保持相互平行并位 于同一平面上。,单色器的入射狭缝起着系统的虚拟光源的作用，经色散后的不同波长的单色平行光束(光谱)由物镜聚焦在出射狭缝的平面上，调节狭缝宽度，可控制光强。,4.检测器：大多采用光检测器与热检测器，将光信号转变为易 检测的电信

10、号。,2020/7/12,光谱法：以能源与物质相互引起原子、分子内部量子化能级之间“跃迁”所产生的光的吸收、发射、散射等波长与强度的变化关系为基础的光分析法。,原子发射光谱仪,火焰原子吸收光谱仪,2020/7/12,1.光谱产生的原理,分子中包含有原子和电子；分子、原子、电子都是运动着的物质，都具有能量，这些能量都是量子化的；在一定的条件下，分子处于一定的运动状态，物质分子内部运动状态有三种形式：,电子运动：电子绕原子核作相对运动电子能级；,原子运动：分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动振动能级；,分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动 转动能级,2020/7/12,物质粒子吸收某种特定的

11、光子后，由某低能级跃迁到某高能级，把物质对光的吸收情况按照波长的次序排列记录下来，就得到“吸收光谱”；,吸收了能量的粒子由高能级跃迁到低能级时，以光辐射形式释放出多余的能量，把光的发射按照波长的次序排列记录下来，就得到“发射光谱”；,分子中的电子能级差E电约为419KJ/mol; 同一电子能级中，振动能级差E振约为21KJ/mol; 同一振动能级中，转动能级差E转约为0.042KJ/mol;,仅发生转动能级跃迁时，产生远红外吸收光谱； 发生振动能级跃迁时，产生红外吸收光谱（振动光谱）； 发生电子能级跃迁时，产生紫外吸收光谱（电子光谱）,2020/7/12,2020/7/12,2020/7/12,发射光谱的特征是在暗背景上有明亮的谱线或谱区； 吸收光谱的特征则是在连续的亮背景上有暗线或暗区。,原子光谱是由于原子外层或内层电子能级的跃迁所产生的光谱，它的表现形式为线状光谱。,由于原子没有振动和转动能级，原子光谱主要是电子能级跃迁产生的，不会叠加振动和转动能级跃迁，因此发射或吸收的是一些频率（或波长）不连续的辐射，相应的原子