光谱分析原理.ppt

1、1、第一章，光谱分析原理，钟万里，2，一，光谱分析的基本概念，光谱分析是原子发射光谱分析方法，习惯上将原子发射光谱分析简称光谱分析。 用这种方法可以确定样品成分中元素的种类和含量。 分光分析中，通常在试料电极和辅助电极之间流过电流(直流电弧、交流电弧、火花等)时，在两电极之间的间隙形成电弧或火花的等离子体(蒸汽云)，该等离子体中的分子、原子、离子以及电子受到光源发生器赋予的能量而激发发光，光源有离子产生的线性光谱，也有分子产生的带状光谱和灼热电极片产生的连续光谱。 由分光器分光的光谱中的光谱线按波长顺序分开排列。 可以用不同的装置接受和检测光谱。 在使用照相法在感光板上记录光谱的情况下，称为光

2、谱法，该分光器称为光谱校正。 在光电倍增管接收、将光信号转换为电信号进行检测的情况下，称为光电直读分光法，该分光器称为光电直读分光器。 用人眼观察识别光谱，称为光谱，3，法，该装置称为分光镜。 因为人眼对可见光(红、橙、黄、绿、蓝、蓝、紫色的光)只有视觉，所以光谱分析仅限于可见光谱带。 用于光谱分析的原子是原子和离子发生的线性光谱。 各元素的原子或离子分别具有由独自的一系列波长的光谱线组成的特征光谱。 从光谱中识别并确定各元素特征谱线中的一些灵敏线是定性分析的基础。 各元素的特征光谱线的强度是试样中该元素的含量的函数。 由谱线强度确定含量是定量分析的基础。4、2、光谱的概念是复合光通过分光元件

3、分散在单色光中，按波长的顺序排列成一个波段，称为光谱。 物质以不同的状态存在时，根据其内部结构和被激发的情况，会产生3种不同的光谱。 光谱的三种类型： 5，(1)线谱由于高温下物质的原子和离子以气体的形式存在，此时原子之间的相互作用力小，它们受到能量后，发射出不连续的亮线，由单一原子或离子的外层电子轨道能级决定。 (2)带谱是分子被激发而产生的，由多条极细、极密的亮线组合而成(由亮带和暗区组成)。 (3)连续光谱是由灼烧的固体热辐射产生的，在高分辨率的仪器中也有分离的可能性。 6，3，光谱分析的基础理论，7，任何物质都由原子组成。 1原子的定义：表达元素性质的最小微粒，在化学反应中原子的种类和

4、性质不变。 也就是说，原子是保持物质化学性质的最小粒子。 2、原子结构：原子的中心是由体积小的带正电荷的核(由质子和中子组成)称为原子核，其质量与原子的总质量基本相等，核外是高速旋转的电子。 根据元素不同，原子核的大小和核外电子数各不相同，但对中性原子来说，核内的电荷数和核外电子数相等，核内质子带正电，核外电子带负电，而且数值相等，电相反，因此呈中性。 (原子核核外电子)、8、原子结构的确认经过了漫长的过程。 (1)19世纪初，美国科学家达尔顿认为原子是自然界中最小的粒子(2)1989年，汤姆森发现了电子，他认为当时正电荷在原子中均匀分布，电子在正电荷的周围均匀分布(3)1911年，核物理学家

5、卢瑟福在粒子散射实验中(4)1913年，玻尔在卢瑟福基础上完善了原子核的理论模型，提出了原子量子轨道和能级理论，从而建立了现代的原子核理论，他说：“电子沿量子轨道旋转，它不发射能量E2- E1=hc/，9，3， 核外电子的运动规律原子核外电子的运动并非杂乱，有其运动规律，原子核外的电子分布在不同的轨道上，接近核的层称为k层，向外依次为l、m、n、o、p，同样，m层可以容纳18个电子，n层可以容纳32个电子因为各层上的电子也并非全部处于相同的能级，所以也存在子层s、p、d、f。 10、能级分布图，11、轨道n电子数(2n 2，32 ) k1l2m 318 n 432 o 532 p 632 q

6、732、12、1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s、4f 5f 6f 7f、13激发态：电子在吸收能量后，向远离核的轨道迁移。 原子核外的电子在不同的轨道上运动，不同的轨道具有不同的能级。 如果从外部向原子供给能量(热能、电能、光能)，则原子中的处于低能量水平的电子吸收一定量的能量(即量子能量)，被激发为远离核的轨道，此时被激发的电子处于不稳定的状态， 为了实现新的稳定状态，在极短时间内为10-7-的减少的内能以放射电磁波的形式放出能量(光子)，由于电子的轨道不连续，因此电子迁移时的能级也不连续，所得到的光谱是不连续的线状的光谱，即14、吸收、发射、15、5、激发电位、电离电位激发电位：原

7、子中的某一外层电子从基态激发为高能级激发状态时所需的能量称为激发能量，与其对应的电位称为激发电位。 电离电位：原子外层的电子得到充分的能量后，离开其原子核的作用范围成为自由电子，这时电离原子成为正离子的现象。 电离原子所需的能量称为电离能量，与其对应的电位称为电离电位。 由于是中性原子激发电位发光光谱线电弧(原子线)中性原子电离电位正离子激发电位火花线(离子线)，因此元素光谱线的出现容易度不仅与激发电位有关，而且与电离电位也有关。16、6、原子光谱线和周期表的关系原子激发发出的光与原子结构有密切的关系，各种化学元素的结构具有周期性，其激发发出的光也具有周期性，从周期表可以看出，周期数是核外的电

8、子层数。 同一家庭外层的电子结构相似。 第一族元素在最外层只有一个电子。 第二族的最外层有2个电子等。 外层电子，即价电子，相对远离原子核，与原子核的结合力也弱，容易受到外力，所以同族元素从第一族到第八族，外层电子从一个到八个，外层电子结构从简单到复杂，其化学性质从活泼到惰性，电离电势小所以大，原子的激发可以通过激发第一族元素k、Na等在火焰中产生的能量来实现，激发第八族的Fe、Co、Ni等需要使用具有高能量的电弧、火花等电火源。 十七。 是。 是。 是。 是。7、光谱分析应用的光谱带宽光谱分析仅在可见光区域中是可见的，并且可见光波长范围是3970A7230A，如果人眼的光接收灵敏度超过该范围

9、，则人眼是不可见的，而人眼的灵敏度最高的视觉波长是5500A，即黄色区(图中未示出) 由于其波长范围为4990，因此在进行光谱分析时，希望在黄绿色区域中选择光谱线，提高分析的灵敏度。 18，5500 a，19，4，光谱分析概况，20，光谱分析最初始于分析化学。 1 .分析化学、质谱、原子光谱原子发射，21，2，光谱分析起源： 1666年，牛顿在小孔中向暗室棱镜投射太阳光，结果发现了7种颜色的光谱。 牛顿是第一个打下光谱实验基础的人，在光谱中发现了k、Na、Sr、Cs、Rb、He、Ga、In等元素。 约200年后的1860年，本生和库希霍夫为了研究金属光谱制造了世界上第一个有实用价值的分光器，为

10、光谱分析奠定了初步的基础，因此，这一年被作为光谱分析的诞生年。 上世纪初，光谱定性分析开始。 1926年，出现了内标法，光谱分析可以半定量。 (1)在上世纪中叶，取代棱镜(分散不均)而使用光栅(分散不均)，提高了分光质量。 (2)光电元件的发展促进了分光器的光电化发展。 肉眼感光板光电管，随着修正机的发展，光电分光器向着自动化发展。22、5、光谱分析的分类、23、光谱分析的三大步骤：激发分光鉴别1、用途别：台式、便携式2、分光器别：格式、棱镜式3、激发光源别：电光源式、火焰式、等离子体式(2)金属冶炼前的炉材分类和产品测定(3)热处理前将钢编号27，3，光谱分析的优缺点(1) a，应用范围广b

11、 .灵敏度高，低含量时，准确性高，可进行半定量分析。 c .设备简单，易于掌握。 d、快速方便e .对样品的破坏性小f、水垢少、分析费用低g .可以同时制造多种元素。 (2)缺点a、材料不均匀时的代表性差b、内眼误差c、受环境条件的影响。28、4、准备光谱分析作业用盘电极的优点：通过转动电极手柄，可任意更换点弧位置，盘电极面积大，散热快，有利于保证分析质量和提高生产效率。 注意：固定电极在分析某试样后，必须认真清理以减小误差。 (1)固定电极的选择：纯铜、纯铁。 纯铜电极的优点： a、导电性好，b、导热性好，散热快，c、不易氧化，d、灼热程度低，光谱背景小，e、可单纯制作，加工清扫方便。 29

12、、(2)分析前的试样处理a、试样表面的水垢去除b、试样表面的油漆去除c、注意试样表面是否进行了电化学处理。 原则：打磨直至样品表面平整，可见金属光泽。 固定电极的形状主要有棒状和圆盘状两种。 棒状电极的规格为，长约200mm，直径约78mm。 圆盘状电极的规格是直径约60mm、厚度约24mm、外径修磨。 同时请注意选择处理试样表面的手段。 例如，分析钢铁中的Si时，不能直接用砂轮机磨。 如果不这样做，砂轮中的硅粉污染容易产生误差。分析有色金属中的杂质时，用锉刀清扫是不方便的。 30、(3)分析条件的选择a、激发状态：分析容易激发的元素时使用电弧光源，例如Cr、Mo、v、w、Ti、Mg、Cu等分

13、析难以激发的元素时使用火花光源的b .电极距离分析为容易熔化的金属，极距离小。c .燃弧时间：分析易挥发元素，预燃及燃弧时间短，分析难挥发元素，预燃及燃弧时间长。 31、5、激发后形成分析误差的可能性(1)激发部位错误(2)电极污染(3)点火时间过短(要求10秒以上) (4)试样表面处理(5)分析条件与分光标记中的条件不一致(6)强光直接照射(7)第三元素的存在引起的干涉。 例如： Cr=4922.3A Ti=4921.8 A，32，第二章光谱反射镜原理，33，一，几何光学四个法则，34，1，光的直线传播法则：光在均匀介质中沿直线传播。 2 .光的独立传播规律：不同方向的两束光在介质中的某一点

14、相遇通过时，互不影响，独立传播。 3、光反射规律4、光折射规律总结：几何光学的四个规律和挤出的关系式是光学仪器设置修正的基础，有四个规律，可以在解决光线传播问题，分析光谱镜的光路问题时认真理解。 35 (1)光的折射规律内容(2)折射率与光速的关系： (3)绝对折射率： (4)光的折射是可逆的。 (36 )折射率与波长的关系：介质的折射率因波长而异，修正或测量介质的折射率需要一定的波长，该波长为5839A。 在同一媒体中，越大，n越小。37、2、光的衍射与干涉、38、1、惠更斯的原理：光在介质中传播，光波的波面上的所有点都可以视为新波源，由此产生球面小波。 在前一时刻的波前激发的一组小波的分组

15、面构成下一时刻的新波前，光波是一个波前推进一个波前的传播。 就像我们向水里扔石头引起波浪向外扩展一样。 2 .光的衍射：光波绕过小孔或障碍物向前方传播的现象。 3 .光的干涉：在光波上叠加明暗之间的条纹。 条件：频率相同，振动方向相同。 明条纹：波数差=； 暗条纹：波长差=，39，三，棱镜色散，40，复合光由不同波长的光组成，需要通过棱镜和其他色散元件。 不同波长的光在同一介质上折射时，波长和折射率有一定的关系。 即，波长越长则变短，折射率越小则变大，因此会出现空间分解的现象，与其大小相应地波长值排列的现象被称为棱镜的分散。 1 .棱镜的色散概念：复合光中不同波长的光被棱镜折射后，由于折射率的

16、不同，不同波长的光产生了空间分解现象。 2 .棱镜的工作位置棱镜位于最小偏转角，作为其工作位置，入射光和出射光对称，对系统整体的像差最有利。 3 .最小偏转角，41，42，4，棱镜的作用色散：定义波长的微小变动引起偏转角变动的大小。 式5、对色散棱镜的要求(1)棱镜材料需要良好的光学均匀性。 (2)棱镜材料通光表面光泽度高，平面性好，无损伤。 (3)棱镜材料的顶角必须正确。43、4、光栅的分散、44、与光栅和分散棱镜的作用同样，能够使复合光分散，作为分光器的分散元件，光栅通常性能优于棱镜，被广泛应用。 1 .光栅色散的概念：指的是光栅对不同波长1和2的两种光线的相互分开的角度的大小。 式： 2、分光器用光栅制作：目前采用机械方法制作光栅，在光学玻璃表面镀铝，用光栅划线机刻出许多与铝膜平行的沟槽，可见光谱区的光栅为每毫米600或100条3、光栅色散原理：光栅方程： (，光栅法线的同侧取正，否则取负)。 d、为常数时，46、3章激发光源、47、1、概要、激发光源的作用是使试料气体状蒸发。 其中分子离解为原子，激发样品成分中的元素原子，产生特征