大學儀器分析教學課件(光譜法儀器與光學儀器)

1、0:05:55第三節(jié)第三節(jié)第三節(jié)第三節(jié)第三節(jié)第三節(jié) 光譜法儀器與光光譜法儀器與光光譜法儀器與光光譜法儀器與光光譜法儀器與光光譜法儀器與光學器件學器件學器件學器件學器件學器件一、一、光譜法儀器的基本流程光譜法儀器的基本流程general process of spectrometry二、二、光譜儀器的基本器件光譜儀器的基本器件main parts of spectrometry 第二章第二章第二章第二章第二章第二章 光分析導(dǎo)論光分析導(dǎo)論光分析導(dǎo)論光分析導(dǎo)論光分析導(dǎo)論光分析導(dǎo)論 an introduction to optical analysis instruments for spectro-

2、metry and optical parts0:05:57一、一、一、一、一、一、光分析法儀器的基本流程光分析法儀器的基本流程光分析法儀器的基本流程光分析法儀器的基本流程光分析法儀器的基本流程光分析法儀器的基本流程 general process of spectrometrygeneral process of spectrometrygeneral process of spectrometry 光譜儀器通常包括五光譜儀器通常包括五個基本單元：個基本單元：光源；單色器；樣品；檢測器；顯示與數(shù)據(jù)處理；0:05:57二、二、二、二、二、二、光分析法儀器的基本單元光分析法儀器的基本單元光分析法

3、儀器的基本單元光分析法儀器的基本單元光分析法儀器的基本單元光分析法儀器的基本單元 main parts of spectrometrymain parts of spectrometrymain parts of spectrometry 1. 1. 光源光源 依據(jù)方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等；依據(jù)光源性質(zhì)不同，分為：連續(xù)光源連續(xù)光源：在較大波長范圍提供的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等；線光源線光源：提供的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等；0:05:582.2.2.2.2.2.單色器單色器單色器單色器單色器單色器 單色器單色器：將復(fù)合光分解成單色光

4、或有一定寬度的譜帶的裝置。 主要部件主要部件：（1）進出口狹縫；（2）準直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線； （3）(棱鏡、光柵)：使不同波長不同波長的輻射以的進行傳播；0:05:580:05:59棱鏡棱鏡棱鏡棱鏡棱鏡棱鏡根據(jù)光的折射現(xiàn)象進行分光根據(jù)光的折射現(xiàn)象進行分光根據(jù)光的折射現(xiàn)象進行分光 棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率，波長長的光，折射率?。徊ㄩL短的光，折射率大。 平行光經(jīng)過棱鏡后按波長順序排列成為單色光；經(jīng)聚焦后在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長展開的光譜； 棱鏡的光學特性可用色散率和分辨率來表征；0:05:59棱鏡的特性與參數(shù)棱鏡的特性與參數(shù)棱鏡的特性與參數(shù)棱鏡的特性

5、與參數(shù)棱鏡的特性與參數(shù)棱鏡的特性與參數(shù)（1 1）色散率）色散率 角色散率：用d/d表示，表示偏向角偏向角對波長的變化率；dd2sin12sin2dd22nn 棱鏡的頂角越大或折射率n越大，角色散率越大，分開兩條相鄰譜線的能力越強，但頂角越大，反射損失也增大，通常為60度角； 0:06:00（2 2 2 2 2 2）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率 相鄰兩條靠得很近的譜線分開的能力：相鄰兩條靠得很近的譜線分開的能力：ddnbR： 兩條相鄰譜線的平均波長；：兩條譜線的波長差；b：棱鏡的底邊長度；n：棱鏡介質(zhì)材料的折射率。 所以，棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料； 分辨率與波長

6、有關(guān)分辨率與波長有關(guān)，長波的分辨率要比短波的分辨率小，棱鏡分離后的光譜屬于非均排光譜非均排光譜。0:06:00光柵光柵光柵光柵光柵光柵(p79)(p79)(p79)(p79)(p79)(p79) 通過在平板通過在平板玻璃玻璃或或金屬板金屬板上刻上刻劃出一道道劃出一道道等寬等寬、等間距等間距的刻痕的刻痕制成。常用的光柵刻痕密度每毫制成。常用的光柵刻痕密度每毫米為米為12001200條、條、18001800條或條或24002400條；條；根據(jù)工作方式不同分為：根據(jù)工作方式不同分為：透射光柵，反射光柵；透射光柵，反射光柵； 光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫與單狹縫共同作用的結(jié)果，前者決定光譜出現(xiàn)的位置位置，后

7、者決定譜線強度分布譜線強度分布；0:06:01光柵的色散原理光柵的色散原理光柵的色散原理光柵的色散原理光柵的色散原理光柵的色散原理光柵公式：d (sinsin)=K、分別為入射角和衍射角；K為光譜級次,K=0, 1, 2, 整數(shù) d為光柵常數(shù)(mm):相鄰兩刻痕間的距離，即為光柵刻痕密度b（mm-1)的倒數(shù)； 為衍射光的波長為衍射光的波長0:06:01光柵公式 d (sinsin)=Kdsin為相鄰入射光波與的光程差；dsin為相鄰衍射光波與的光程差；d (sinsin)為光波 與光波 的總光程差；加號表示衍射光和入射光在光柵法線的同側(cè)，減號表示它們在光柵法線的異側(cè)；當一束復(fù)合光以一定的入射角

8、照射光柵時，不同波長的單色光在不同衍射角的方向發(fā)生干涉。 在某一光譜級次中，即當K, , d一定時，波長愈長的單色光，衍射角愈大。對于給定的光柵，可以通過旋轉(zhuǎn)光柵轉(zhuǎn)臺來獲得需要的波長范圍和光譜級次。0:06:02光柵的參數(shù)：光柵的參數(shù)：光柵的參數(shù)：光柵的參數(shù)：光柵的參數(shù)：光柵的參數(shù)： 光柵的特性可用色散率和分辨率來表征，當入射角不變時，光柵的角色散率可通過對光柵公式求導(dǎo)得到：cosdKdd d/d為衍射角對波長的變化率，即光柵的角色散率。 當很小，且變化不大時，cos 1，光柵的角色散率決定于光柵常數(shù) d 和光譜級數(shù)K ，常數(shù)，不隨波長改變，均排光譜（優(yōu)于棱鏡之處）。 角色散率只與色散元件的性

9、能有關(guān)；線色散率還與儀器的焦距有關(guān)。0:06:02光柵的光柵的光柵的光柵的光柵的光柵的線色散率線色散率線色散率線色散率線色散率線色散率dfKdfKfddddlcos f 為會聚透鏡的焦距焦距。 倒線色散率倒線色散率：用d/dl 表示， d/dl 值越大，值越大，色散率越小色散率越小 0:06:03光柵的光柵的光柵的光柵的光柵的光柵的分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力 光柵的分辨能力根據(jù)Rakleigh準則來確定。 等強度的兩條譜線（I，II）中，一條（II）的衍射最大強度落在另一條的第一最小強度上時，兩衍射圖樣中間的光強約為中央最大的80%，在這種情況下，兩譜線中央最大距離即是光

10、學儀器能分辨的最小距離（可分離的最小波長間隔）；0:06:03光柵的光柵的光柵的光柵的光柵的光柵的分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率R R R 光柵的分辨率R 等于光譜級次（K）與光柵刻痕條數(shù)（N）的乘積：NKR 光柵越寬、單位刻痕數(shù)越多、R 越大。如寬度50mm，N=1200條/mm， 一級光譜的分辨率： R=1501200=61040:06:04：用：用：用：用：用：用dn/ddn/ddn/d=1.3=1.3=1.3=1.3=1.3=1.3101010-4-4-4nmnmnm-1-1-1的的的的的的606060熔凝石英熔凝石英熔凝石英熔凝石英熔凝石英熔凝石英棱鏡和刻有棱鏡和刻有棱鏡和刻有

11、棱鏡和刻有棱鏡和刻有棱鏡和刻有200020002000條條條條條條 mmmmmm-1-1-1的光柵來色散的光柵來色散的光柵來色散的光柵來色散的光柵來色散的光柵來色散LiLiLi的的的的的的460.20nm460.20nm460.20nm和和和和和和460.30nm460.30nm460.30nm兩條譜線。試計算兩條譜線。試計算兩條譜線。試計算兩條譜線。試計算兩條譜線。試計算兩條譜線。試計算（1 1 1）分辨率；分辨率；分辨率；分辨率；分辨率；分辨率；(2)(2)(2)棱鏡和光柵的大小棱鏡和光柵的大小棱鏡和光柵的大小棱鏡和光柵的大小棱鏡和光柵的大小棱鏡和光柵的大小 解（1）棱鏡和光柵的分辨率31

12、06 . 420.46030.4602/ )20.46030.460(nmnmnmnmR0:06:04（2 2 2）棱鏡的大小，即底邊長）棱鏡的大小，即底邊長）棱鏡的大小，即底邊長）棱鏡的大小，即底邊長）棱鏡的大小，即底邊長）棱鏡的大小，即底邊長 算出光柵的總刻痕數(shù)N，對于一級光譜 光柵的大小，即寬度W為W=Nd=N/2000mm-1=4.6103/2000mm-1=0.23cmcmbnmbnbR5 . 3103 . 1106 . 4dd1433106 . 4KRNNKR0:06:05狹縫狹縫狹縫狹縫狹縫狹縫 單色器的進口狹縫起著單色器光學系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開后，在出口曲面上

13、形成相當于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動色散元件可使不同波長的光譜線依次通過。 0:06:05 分辨率大小不僅與色散元件的性能有關(guān)，也取決于成像的大小，因此希望采用較窄的進口狹縫。分辨率用來衡量單色器能分開最小波長間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示： S = DW D為倒線色散率；W為狹縫寬度； 在原子發(fā)射光譜分析中， 定性分析時，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高； 定量分析時，增大狹縫寬度，可得到較大的譜線強度。 狹縫兩邊的邊緣應(yīng)銳利且位于同一平面上；0:06:063.3.3.3.3.3.試樣裝置試樣裝置試樣裝置試樣裝置試樣裝置試樣裝置 光源與試樣相互作用的場所（1）吸收池）吸收池

14、紫外，熒光分析法：石英比色皿 可見分光光度法：玻璃比色皿 紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片（2）特殊裝置）特殊裝置 原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態(tài)原子； 原子發(fā)射光譜分析：試樣噴入火焰； 詳細內(nèi)容在相關(guān)章節(jié)中介紹。0:06:074. 4. 4. 4. 4. 4. 檢測器檢測器檢測器檢測器檢測器檢測器（1）光檢測器）光檢測器 主要有以下幾種： 硒光電池、光電二極管、光電倍增管、硅二極管陣列檢測器、半導(dǎo)體檢測器；（2）熱檢測器）熱檢測器 主要有： 真空熱電偶檢測器：紅外光譜儀中常用的一種； 熱釋電檢測器：5. 5. 信號、與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)信號、與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 現(xiàn)代分析儀器多配有計算機完成數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果打印，工作站軟件系統(tǒng)；0:06:07內(nèi)